UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO –
ESCOLA DE MINAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
“COMPORTAMENTO DE PÓRTICOS PLANOS MÚLTIPLOS, ENGASTADOS
NAS BASES E ROTULADOS NO TOPO DOS PILARES EXTREMOS EM
INCÊNDIO”
AUTOR: JEAN CARLOS RAMOS
ORIENTADOR: Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouveia
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação do Departamento de
Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como
parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências da
Engenharia Civil, área de concentração: Construção Metálica.
Ouro Preto, dezembro de 2009
R175c
Ramos, Jean Carlos.
Comportamento de pórticos planos múltiplos, engastados nas bases e
rotulados no topo dos pilares extremos em incêndio [manuscrito] / Jean
Carlos Ramos. - 2009.
133 f.: il., color.; graf.; tabs.
Orientador: Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouveia.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de
Minas. Departamento de Engenharia Civil. Programa de Pós Graduação em
Engenharia Civil.
Área de concentração: Construção Metálica.
1. Edifícios - Teses. 2. Prevenção de incêndio - Teses. I. Universidade
Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 699.81
Catalogação: [email protected]
2
“COMPORTAMENTO DE PÓRTICOS PLANOS MÚLTIPLOS, ENGASTADO
NAS BASES E ROTULADOS NO TOPO DOS PILARES EXTREMOS EM
INCÊNDIO”
AUTOR: JEAN CARLOS RAMOS
Esta dissertação foi apresentada em sessão pública e aprovada em 18 de
dezembro de 2009, pela Banca Examinadora composta pelos seguintes
membros
Prof. Dr. Antônio Maria Claret de Gouvêia (Orientador / UFOP)
3
Aos meus pais e familiares, fundamentais em minha existência
A minha amada Melina, sempre presente.
4
AGRADECIMENTOS
Ao Bom Senhor, que com Sua infinita bondade permitiu mais esta conquista.
Aos meus pais Antonio Carlos e Maria Inês, aos irmãos Fernando e Maria Laura; aos
avós João Ramos, Alair e Aparecida, que sempre me apoiaram e nunca deixaram de
acreditar em mim.
Minha amada Melina, minha gatinha, pessoa fundamental. Agradeço à paciência e por
dividir comigo os momentos de alegria e de tristeza. Obrigado por você existir.
Meus tios, tias, primos e primas que contribuíram e apoiaram.
À Minha Sogra (Vírginia), ao Vicente e família, os quais me aceitaram como um dos
seus filhos me guiando e apoiando.
Ao meu orientador Claret, excelentíssimo mestre, exemplo de pessoa que nunca se
negou em nos instruir e dividir conhecimento.
Aos professores do Propec, pelos ensinamentos e orientações.
Ao Eng. Paulo Melo (in memoriam), profissional competente e bom amigo, com quem
sempre pude contar.
Aos Calamitosos e as Maktubianas, amigos de muitas vitórias e que sempre serão
lembrados.
Aos amigos do mestrado, em especial Claudio, Juliano e Carlos Eduardo, com os quais
dividi muito tempo de trabalho na “Salinha do Poder”.
A Róvia, pela gentileza e atenção sempre oferecidas.
A Fundação Gorceix pelo apoio financeiro.
5
RESUMO
Neste trabalho, é apresentado um método de análise do comportamento de grandes
edifícios horizontais em incêndio. Os requisitos das autoridades oficiais que tratam da
segurança contra incêndio geralmente são orientados para evitar o “puxamento” da
estrutura de fechamento lateral para dentro da edificação de modo a evitar uma possível
obstrução das vias de escape. A análise 3D por elementos finitos do edifício inteiro é
impraticável para a rotina dos escritórios de projeto, em face do grande número de graus
de nós, principalmente na estrutura de cobertura. O método proposto consiste na
superposição de duas análises parciais 2D, a determinação da distribuição de
temperaturas na seção transversal de um pilar exposto a um ambiente correspondente ao
incêndio-padrão e na determinação da resposta estrutural do elemento, sempre com o
emprego do Método de Elementos Finitos. Conforme o cenário de incêndio adotado,
sendo os deslocamentos finais da estrutura de fechamento avaliados contra os critérios
de colapso em incêndio. Um estudo de caso é apresentado em que se verifica que os
pilaretes da estrutura de fechamento lateral se deslocam ”para fora”, cumprindo
automaticamente o requisito de segurança.
Palavras-chave: Grandes edifícios horizontais, Segurança em incêndio, Fechamento
lateral.
6
ABSTRACT
In this work, a method to analyze the fire behavior of large horizontal buildings
structures is presented. Official fire safety requirements applied to large horizontal
buildings generally are oriented to avoid “pulling in” of lateral cladding walls and
structural bars in such a way that a escape route could be obstructed. 3D finite element
analyses of entire large horizontal buildings are impracticable for designing offices due
to the large number of degrees of freedom, most of them to be found in the roof’s
structure. The proposed method consists on the superposition of two 2D partial analyses
in order to determine the temperature distribution on the cross section of a column
exposed to a standard fire-like environment and to determine the structural response of
the element. These analyzes where performed through the Finite Element Method
according to the fire scenario adopted, being the final displacements evaluated against
collapse criteria in fire. A case study is presented in which it is verified that the
displacements of cladding posts are outward automatically accomplishing fire safety
requirements for diverse fire exposure conditions of the transversal frame’s external
beam.
Keywords: Large horizontal buildings, Fire safety requirements, Lateral cladding
system.
7
ÍNDICE
CAPITULO 1 ............................................................................................................. 16
1 – INTRODUÇÃO .................................................................................................... 16
1.1 – APRESENTAÇÃO ......................................................................................... 16
1.2 – OBJETIVOS................................................................................................... 18
1.3 – JUSTIFICATIVAS ......................................................................................... 18
1.4 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 20
1.4.1 – HISTÓRICO DAS NORMAS DE INCÊNDIO ............................................ 20
1.4.2 – CONSIDERAÇÕES GERAIS ..................................................................... 21
CAPITULO 2 ............................................................................................................. 24
2 – DIMENSIONAMENTO DO GRANDE EDIFÍCIO HORIZONTAL ..................... 24
2.1 – EQUAÇÃO DA RESISTÊNCIA .................................................................... 24
2.2 – EQUAÇÃO DA ESTABILIDADE ................................................................. 25
2.3 – ESFORÇOS DEVIDO À AÇÃO DO VENTO ................................................ 26
2.3.1 – VELOCIDADE BÁSICA DO VENTO (V0) ................................................ 26
2.3.2 – FATOR TOPOGRÁFICO (S1) ..................................................................... 27
2.3.3 – RUGOSIDADE DO TERRENO, DIMENSÕES DA EDIFICAÇÃO E
ALTURA SOBRE O TERRENO: FATOR (S2) ....................................................... 29
2.3.3.1 – RUGOSIDADE DO TERRENO ............................................................... 29
2.3.3.2 – DIMENSÕES DA EDIFICAÇÃO............................................................. 29
2.3.3.3 – ALTURA SOBRE O TERRENO .............................................................. 30
2.3.3.4 – FATOR ESTATÍSTICO S3 ....................................................................... 31
2.4 – COMBINAÇÕES DE CARREGAMENTOS .................................................. 31
CAPITULO 3 ............................................................................................................. 33
3 – ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS GRANDES EDIFÍCIOS HORIZONTAIS .. 33
3.1 – INTRODUÇÃO .............................................................................................. 33
3.2 – LIGAÇÕES .................................................................................................... 33
3.2.1 – LIGAÇÃO SOLDADA................................................................................ 33
8
3.2.2 – LIGAÇÕES PARAFUSADAS .................................................................... 34
3.2.3 – TIPO DE LIGAÇÕES.................................................................................. 35
3.3 – LIMPEZA E PROTEÇÃO DAS ESTRUTURAS ........................................... 41
3.3.1 – LIMPEZA.................................................................................................... 41
3.3.2 – PINTURA.................................................................................................... 42
3.4 – MONTAGEM ................................................................................................ 44
CAPITULO 4 ............................................................................................................. 45
4 – PROTEÇÕES CONTRA INCÊNDIO ................................................................... 45
4.1 – INTRODUÇÃO .............................................................................................. 45
4.2 – MATERIAIS DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO (PROTEÇÃO PASSIVA)
................................................................................................................................... 45
4.3 – PROPRIEDADES FÍSICAS E TÉRMICAS DOS MATERIAIS DE
PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO ....................................................................... 46
4.4 – TRANSMISSÃO DE CALOR EM MATERIAIS SÓLIDOS .......................... 49
4.5 – DESCRIÇÕES DE ALGUNS MATERIAIS DE PROTEÇÃO CONTRA
INCÊNDIO ............................................................................................................. 52
4.5.1 – ARGAMASSAS PROJETADAS ................................................................. 52
4.5.2 – TINTAS INTUMESCENTES ...................................................................... 53
4.5.3 – MANTAS .................................................................................................... 55
4.5.4 – PAINÉIS DE MATERIAIS FIBROSOS ...................................................... 57
4.5.5 – PLACAS DE GESSO ACARTONADO ...................................................... 59
4.5.6 – ARGAMASSA DE VERMICULITA .......................................................... 59
CAPITULO 5 ............................................................................................................. 61
5 – MÉTODO PROPOSTO ........................................................................................ 61
5.1 – TASEF ........................................................................................................... 61
5.1.1 – DISCRETIZAÇÃO TRANSVERSAL DOS PERFIS EM ELEMENTOS
FINITOS ................................................................................................................. 62
5.2 – O VULCAN ................................................................................................... 66
CAPITULO 6 ............................................................................................................. 72
9
6 – ESTUDO DE CASO ............................................................................................. 72
6.1 – ESTRUTURA ANALISADA ......................................................................... 72
6.1.2 – SISTEMA DE FECHAMENTO .................................................................. 75
6.2 – REGIMES DE PROTEÇÃO PARCIAL ......................................................... 84
6.2.1. REGIME SEM PROTEÇÃO ......................................................................... 85
6.2.2 – REGIME COM PROTEÇÃO DE 15 MILÍMETROS ................................... 91
6.2.2.1 – REGIME COM PROTEÇÃO DOS PILARES EXTERNOS ..................... 92
6.2.2.2 – REGIME COM PROTEÇÃO DOS PILARES EXTERNOS E INTERNOS
................................................................................................................................ 97
6.2.2.3 – REGIME COM PROTEÇÃO DOS PILARES EXTERNOS E VIGA ..... 103
6.3 – COMPORTAMENTO DO SISTEMA DE FECHAMENTO LATERAL .......... 108
6.3.1 – COMPORTAMENTO FECHAMENTO LATERAL COM PÓRTICO
PRINCIPAL SEM PROTEÇÃO ............................................................................ 111
6.3.2 – COMPORTAMENTO FECHAMENTO LATERAL COM PÓRTICO
PRINCIPAL COM PROTEÇÃO ........................................................................... 112
6.3.2.1 – PILARES EXTERNOS PROTEGIDOS .................................................. 113
6.3.2.2 – PILARES EXTERNOS E INTERNOS PROTEGIDOS .......................... 115
6.3.2.3 – PILARES EXTERNOS E VIGA PROTEGIDOS .................................... 117
6.3.3 – ANÁLISE DA TELHA CONSTITUINTE DO FECHAMENTO LATERAL
.............................................................................................................................. 119
6.3.3.1 – COMPORTAMENTO DA TELHA COM PÓRTICO PRINCIPAL
DESPROTEGIDO ................................................................................................. 120
6.3.3.2 – COMPORTAMENTO DA TELHA COM PÓRTICO PRINCIPAL
PROTEGIDO ........................................................................................................ 122
CAPITULO 7 ........................................................................................................... 127
7 – CONCLUSÃO E SUGESTÕES .......................................................................... 127
7.1 – CONCLUSÃO.............................................................................................. 127
7.2 – SUGESTÕES ............................................................................................... 129
BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 130
10
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1.1 – Medidas de proteção requeridas para edifícios térreos. ............................ 19
Tabela 2.1 – Fator S2. .................................................................................................. 30
Tabela 2.2 – valores mínimos do fator estatístico S3. ................................................... 31
Tabela 4.1 – Valores médios para a massa específica, condutividade térmica e calor
específico de alguns materiais utilizados como proteção contra incêndio em estruturas
metálicas (NEVES,1994; MARTINS, 2000). .............................................................. 48
Tabela 5.1 – Compatibilização de Nós do TASEF e VULCAN. .................................. 66
Tabela 6.1 – Dimensões dos perfis. ............................................................................. 74
Tabela 6.2 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x76, sem proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas. ........................................................... 86
Tabela 6.3 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x62, sem proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas. ........................................................... 87
Tabela 6.4 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 500x73, sem proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas. ........................................................... 88
Tabela 6.5 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x76, com proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas. ........................................................... 93
Tabela 6.6 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x62, com proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas. ........................................................... 98
Tabela 6.7 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 500x73, com proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas. ......................................................... 104
11
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 – Isopletas da velocidade básica do vento, V0 (m/s). ................................... 27
Figura 2.2 – Fator topográfico S1(z). ........................................................................... 28
Figura 3.1 – Ligações viga-viga. ................................................................................. 36
Figura 3.2 – Ligações vigas com pilares parafusadas. .................................................. 37
Figura 3.3 – Base engastada. ....................................................................................... 40
Figura 4.1 – (a) Proteção tipo contorno e (b) Proteção tipo caixa, aplicados à uma viga I
sobreposta por laje de concreto. .................................................................................. 46
Figura 4.2 – Variação do calor específico do gesso com o aumento da temperatura
(NEVES, 1994). .......................................................................................................... 49
Figura 4.3 – Variação da condutividade térmica de um tijolo cerâmico com o aumento
da temperatura (NEVES, 1994). .................................................................................. 50
Figura 4.4 – Argamassa projetada (COSTA, 2001)...................................................... 53
Figura 4.5 – Tinta Intumescente, (COSTA, 2001) ....................................................... 54
Figura 4.6 – Expansão volumétrica em situação de incêndio em um perfil de aço
protegido (fonte: Dowling, 2003). ............................................................................... 55
Figura 4.7 – Viga metálica protegida com manta cerâmica (COSTA, 2001) ................ 56
Figura 4.9 – Placa Cerâmica, (COSTA, 2001) ............................................................. 58
Figura 4.10 – Vigas de aço revestidas com argamassa de vermiculita, por meio de
“spray” (COSTA, 2001) .............................................................................................. 60
Figura 5.1 – Determinação da Emissividade. ............................................................... 63
Figura 5.2 – Emissividade Simplificada. ..................................................................... 64
Figura 5.3 – Discretização em Elementos Finitos do Perfil I – sem proteção. .............. 65
Figura 5.4 – Malha da Seção Transversal do Elemento Utilizado pelo VULCAN. ....... 66
Figura 5.5 – Elemento de viga-coluna do VULCAN com seus graus de liberdade em
coordenadas locais e globais, (BAILEY, 1995). .......................................................... 68
Figura 5.6 – Elemento de placa do VULCAN. ............................................................ 69
Figura 5.7 – Graus de liberdade para o elemento de mola do VULCAN em coordenadas
locais, (BAILEY, 1995). ............................................................................................. 69
Figura 5.8 – Método de Newton-Raphson modificado. ................................................ 70
Figura 5.9 – Malha da seção transversal com os pontos nodais. ................................... 71
Figura 6.1 – Edifício horizontal típico. ........................................................................ 73
Figura 6.2 – Dimensões e vinculações do pórtico principal em metros. ....................... 73
Figura 6.3 – seção transversal dos perfis do pórtico principal. ..................................... 74
12
Figura 6.4 – Perfis que montam a estrutura do pórtico principal. ................................. 74
Figura 6.5 – Malha de nó para introdução no software Vulcan. ................................... 75
Figura 6.6 – Carregamento combinados atuantes no pórtico principal. ........................ 75
Figura 6.7 – Vista de parte da estrutura de fechamento lateral dimensões em milímetros.
................................................................................................................................... 76
Figura 6.8 – Fixação das terças em pilares metálicos (Fonte: catálogo Medabil) .......... 77
Figura 6.9 – Dimensões perfil “Z” dobrado a frio enrijecido 172 Z 17 (Norma AISI) .. 78
Figura 6.10 – Dimensões das chapas de aço em milímetros (fonte: catálogo Perfilor –
ArcelorMittal) ............................................................................................................. 78
Figura 6.11 – Detalhe de fixação da telha (Fonte: Medabil) ......................................... 84
Figura 6.12 – Cenário de incêndio (vista em planta) .................................................... 85
Figura 6.13 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x76 –
sem proteção. .............................................................................................................. 86
Figura 6.14 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x62 –
sem proteção. .............................................................................................................. 87
Figura 6.15 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 500x73 –
sem proteção. .............................................................................................................. 88
Figura 6.16 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo sem proteção. . 89
Figura 6.17 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo sem proteção. .. 90
Figura 6.18 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo sem
proteção. ..................................................................................................................... 91
Figura 6.19 - Discretização em Elementos Finitos do Perfil CS 300X62, Com Proteção
Parcial......................................................................................................................... 92
Figura 6.20 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x76 –
com proteção. ............................................................................................................. 93
Figura 6.21 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo com proteção no
pilar externo. ............................................................................................................... 94
Figura 6.22 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo com proteção no
pilar externo. ............................................................................................................... 95
Figura 6.23 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar central com proteção no
pilar externo. ............................................................................................................... 96
Figura 6.24 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar central com proteção no
pilar externo. ............................................................................................................... 96
Figura 6.25 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo com
proteção no pilar externo. ............................................................................................ 97
13
Figura 6.26 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x62 –
com proteção. ............................................................................................................. 99
Figura 6.27 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo com proteção nos
pilares externos e internos. ........................................................................................ 100
Figura 6.28 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo com proteção nos
pilares externos e internos. ........................................................................................ 100
Figura 6.29 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar interno com proteção nos
pilares externos e internos. ........................................................................................ 101
Figura 6.30 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar interno com proteção nos
pilares externos e internos. ........................................................................................ 102
Figura 6.31 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo com
proteção no pilar externo e interno. ........................................................................... 103
Figura 6.32 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 500x73 –
com proteção. ........................................................................................................... 104
Figura 6.33 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo com proteção nos
pilares externos e viga. .............................................................................................. 105
Figura 6.34 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo com proteção nos
pilares externos e viga. .............................................................................................. 106
Figura 6.35 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar interno com proteção nos
pilares externos e viga. .............................................................................................. 107
Figura 6.36 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar interno com proteção nos
pilares externos e viga. .............................................................................................. 107
Figura 6.37 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo com
proteção no pilar externo e viga. ............................................................................... 108
Figura 6.38 - Vista isométrica da malha de elementos finitos utilizada pelo SAP 2000.
................................................................................................................................. 110
Figura 6.39 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral sem proteção.
................................................................................................................................. 111
Figura 6.40 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral sem proteção.112
Figura 6.41 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo do pórtico principal. ..................................................................... 114
Figura 6.42 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo do pórtico principal. ..................................................................... 115
Figura 6.43 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral com proteção
nos pilares externos e internos do pórtico principal. .................................................. 116
14
Figura 6.44 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral com proteção nos
pilares externos e internos do pórtico principal. ......................................................... 117
Figura 6.45 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo e viga transversal do pórtico principal. ......................................... 118
Figura 6.46 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo e viga transversal do pórtico principal. ......................................... 119
Figura 6.47 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pórtico principal
desprotegido. ............................................................................................................ 121
Figura 6.48 – Esmagamento da telha do tapamento lateral com pórtico principal
desprotegido. ............................................................................................................ 121
Figura 6.49 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo do pórtico
principal protegido. ................................................................................................... 122
Figura 6.50 – Esmagamento da telha do tapamento lateral com pilar externo do pórtico
principal protegido. ................................................................................................... 123
Figura 6.51 – Esmagamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e interno do
pórtico principal protegido. ....................................................................................... 124
Figura 6.52 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e interno do
pórtico principal protegido. ....................................................................................... 124
Figura 6.53 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e viga
transversal do pórtico principal protegido.................................................................. 125
Figura 6.54 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e interno do
pórtico principal protegido. ....................................................................................... 126
15
CAPITULO 1
1 – INTRODUÇÃO
1.1 – APRESENTAÇÃO
Desde os primórdios da humanidade o homem vem aperfeiçoando suas ferramentas e
elementos construtivos, inicialmente com madeira e pedra, elementos básicos da
construção até século XVIII, ao lado da argila e pozolana. Posteriormente, com o
avanço industrial, começaram a aparecer estruturas em ferro (além de esquadrias e
peças estéticas), e com o melhor aperfeiçoamento da técnica de construir apareceu o
aço, que teve sua primeira experiência como material de construção nos silos das
plantações de algodão da Inglaterra.
No Brasil, a utilização de estruturas metálicas na construção civil vem sendo cada vez
mais freqüente nas últimas décadas, o que trás a necessidade de um grande número de
pesquisas nesse ramo.
Os avanços nos estudos para melhorar o dimensionamento e a redução de custos
envolvendo uma estrutura metálica, estão fazendo com que ela seja cada vez mais
utilizada nas construções comerciais e residenciais, promovendo uma maior
competitividade com outros métodos construtivos. E entre as questões que envolvem
este tipo de aplicação do aço, destaca-se a segurança destas edificações quando em
situação de incêndio.
Regulamentações contra incêndios vêm aparecendo no Brasil desde a década de setenta
e entre os anos de 1999 e 2000 surgiram as normas de estruturas em situação de
incêndio, NBR-14323:1999 – “Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em
situação de incêndio – Procedimento” e NBR 14432:2001 – “Exigências de resistência
ao fogo de elementos construtivos de edificações – Procedimentos”, que atualmente
vigoram no país verificando a obrigatoriedade da utilização de proteção passiva nas
estruturas metálicas. Com as normas, houve um aumento no custo deste tipo de
construção, pois o emprego desta proteção pode variar de 15% a 30% do valor da
estrutura, o que em muitos casos inviabiliza a obra.
16
No Reino Unido as edificações em aço correspondem a 70% das construções, nos
Estados Unidos o aço está em 50% das edificações, enquanto no Brasil este percentual
corresponde a apenas 5%.
Os estados brasileiros onde mais se constrói em aço são São Paulo e Rio de Janeiro,
sendo responsáveis por cerca de 60% do consumo do aço brasileiro.
O maior consumo de aço no Brasil esta no setor industrial, onde se verifica o maior
potencial para crescimento. O consumo per capita de aço é de 100 kg/habitante há mais
de vinte anos no Brasil, muito aquém do observado nas economias desenvolvidas, onde
os níveis são superiores a 400 kg/habitante (Revista Brasileira do Aço - 15 Maio / 15
Junho 2007).
Este trabalho busca estudar o comportamento de pórticos planos biengastado nas bases
dos pilares externos e rotulados nos apoios internos da viga transversal, buscando
conhecer o comportamento das paredes de vedação lateral em face dos deslocamentos
“para fora” e “para dentro” verificados nas diferentes fases de desenvolvimento do
incêndio e indicar meios de reduzir a necessidade de proteção passiva estrutural,
visando um melhor desempenho na relação do custo da estrutura/ custo da proteção.
A escolha deste tipo de estrutura para ser estudada se deve ao fato de se estimar que
82% do total de aço produzido no Brasil, visando o mercado da construção civil, seja
aplicado na construção de edifícios horizontais (supermercados, galpões industriais,
depósitos, etc), o uso residencial fica com 1% e o restante em outros tipos de obras.
Percebe-se assim, que os galpões industriais têm grande importância quando se fala em
consumo de aço na construção civil.
Dentre as edificações em aço, os grandes edifícios horizontais representam a maior
parcela destas construções. Esses edifícios são freqüentemente utilizados por indústrias,
supermercados e centros de depósitos. Grandes edifícios horizontais são caracterizados
por áreas de piso que variam de 10 a 60 mil metros quadrados com alturas de cumeeiras
entre 8 e 20 metros; são comumente construídos na periferia, em face dos altos custos
dos lotes de terrenos nos centros urbanos; as construções costumam ser centradas em
grandes lotes com afastamentos seguros das divisas e freqüentemente são térreos, com
grandes alturas e compartimentados, o que ajuda em uma eventual intervenção em uma
17
situação de incêndio, pois dificulta a generalização do incêndio por todo o edifício. Os
vãos típicos dessas construções variam entre 15 e 30 metros e seus pórticos principais
ficam afastados um do outro de 10 a 15 metros.
1.2 – OBJETIVOS
Em contribuição para o melhor desenvolvimento das edificações em aço, esta pesquisa
tem como objetivos:
•
Investigar o comportamento da estrutura do sistema de fechamento lateral dos
grandes edifícios horizontais expostos a uma situação de incêndio;
•
Investigar a interação entre a estrutura principal dos grandes edifícios
horizontais e a estrutura do sistema de fechamento lateral em situação de
incêndio;
•
Estabelecer diretrizes para a utilização do sistema de fechamento lateral dos
grandes edifícios horizontais em situação de incêndio.
1.3 – JUSTIFICATIVAS
Proteger um galpão é uma atividade que exige muito do profissional, pois suas barras
são constituídas de perfis de fator com massividade muito alta, seu aquecimento é muito
rápido e sua resistência ao fogo é reduzida. Assim, uma proteção passiva para estas
estruturas para tempos de incêndio de 30 ou 60 minutos pode inviabilizar a obra.
Para o caso dos grandes edifícios horizontais, as regulamentações oficiais estabelecem
requisitos de resistência ao fogo em função da altura do piso mais elevado, da ocupação,
da área de piso e das medidas de proteção passivas existentes. Na maioria dos casos, o
nível de resistência ao fogo exigido (medido em minutos no ensaio-padrão) somente é
atingido com o emprego de proteção passiva das barras estruturais. Para projetar a
proteção passiva adequadamente, a interação entre os pórticos principais e as estruturas
de cobertura e de fechamento lateral deveria ser analisada.
18
Os requisitos de segurança de acordo com as autoridades oficiais (CBPMESP, 2004),
foram estabelecidos visando evitar o colapso estrutural em um tempo suficiente para o
escape dos ocupantes, permitir as intervenções de combate ao incêndio, resguardar o
meio ambiente de substâncias perigosas e reduzir os danos estruturais. O primeiro é o
principal entre os objetivos que visam à segurança pública e significa proteção à vida.
Mas, especificamente em relação a grandes edifícios horizontais, os objetivos de
segurança têm a intenção de evitar a probabilidade de ocorrência dos seguintes eventos:
(a) colapso súbito de grande parte da estrutura principal de modo a restringir o
movimento de escape; (b) colapso das paredes externas para dentro do compartimento,
restringindo o escape e as operações de combate.
Considerando o regulamento de segurança contra incêndio do Corpo de Bombeiros de
São Paulo, os grandes edifícios horizontais são divididos em duas classes quanto à
ocupação: os edifícios industriais (classe I) e os edifícios de depósitos (classe J). Essas
classes são divididas em três ou quatro grupos, respectivamente, considerando a
densidade de carga de incêndio, q, em MJ/m²: (a) I-1 e J-2: 0 ≤ q < 300; (b) I-2 e J-3:
300 ≤ q < 1200; (c) I-3 e J-4: q ≥ 1200 MJ/m2. O grupo J-1 é suposto armazenar apenas
materiais incombustíveis. As medidas de proteção requeridas para edifícios térreos são
sumarizadas na Tabela 1.1.
Tabela 1.1 – Medidas de proteção requeridas para edifícios térreos.
Grupos de ocupação industrial e de depósito
Medida de proteção
requerida
I-1
I-2
I-3
J-1
J-2
J-3
Resistência ao fogo
Requerido 30 min for I-1 e
I-2; 60min para I-3
Compartimentação
horizontal
Não requerido
Não
requerido
J-4
Requerido 30min para J-2
e J-3; 60min para J-4
Requerido se um sistema de sprinkler não é
instalado
Sprinklers
Não requerido a menos que exista área não compartimentada maior
que 7500m2 para I-3 e J-3, 10000m2 para J-2 e 4000m2 para J-4.
Controle de fumaça
Não requerido
Controle do
revestimento interno
Requerido
Não
Requerido
Requerido
19
Algumas autoridades oficiais requerem a resistência ao fogo do sistema de fechamento
lateral, exceto quando é demonstrado que as deformações da estrutura de cobertura e
dos pórticos principais não afetem sua estabilidade. Entretanto, a proteção passiva
estrutural de barras da estrutura do fechamento lateral pode elevar em muito o custo
total da segurança contra incêndio. A análise do comportamento do sistema acoplado
pórtico principal-fechamento lateral deve ser feita para demonstrar que, em incêndio, o
fechamento lateral não perde sua estabilidade.
A NBR 14432:2001 edifica que as estruturas de cobertura, desde que sejam
simplesmente apoiadas sobre os pilares, podem ser dispensadas da proteção. Isso
implica na limitação dos vãos livres, visto que a maioria dos galpões desfruta das
ligações rígidas com os pilares para alcançar grandes vãos.
A NBR 14432:2001 tem por motivação ao determinar a isenção da cobertura
simplesmente apoiada sobre os pilares, como citado acima, evitar que o colapso da
estrutura de cobertura provoque o fechamento da vedação lateral sobre o espaço interno
do galpão. Segundo a observação de SANTOLIN et al (2004), alguns desses pórticos se
deformam em incêndio lançando os pilares para fora. Desse modo, a presente
investigação visa caracterizar os modos de deformação do pórtico de maneira a verificar
este padrão de comportamento e assim, tentar buscar maneiras e técnicas de se reduzir
ou até mesmo eliminar a proteção passiva nesse caso ou, de outra forma, reduzir os
tempos exigidos de resistência ao fogo.
1.4 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.4.1 – HISTÓRICO DAS NORMAS DE INCÊNDIO
Sempre houve em todo o mundo preocupação para se evitar acidentes como os
incêndios. As primeiras tentativas para se controlar a destruição de um incêndio eram
prescrições relativas às construções e aos materiais utilizados.
O Rei Charles II, através de decretos, aprovou regras de separação de edifícios em
termos de espessura mínima das paredes depois do grande incêndio de Londres em
1666. De acordo com CLARET (2000a), durante aproximadamente 150 anos, em quase
todos os países do mundo, foram tomadas atitudes semelhantes a essas. Mas foi a partir
20
do final do século XIX, que nos Estados Unidos e na Europa se iniciaram investigações
científicas sobre a resistência ao fogo de estruturas e dos elementos de ligação. Porém
as primeiras normas de incêndio só se deram em 1911, nos Estados Unidos, com a
norma ASTM E-119 – “Standard Test Methods for Fire Tests of Building Constructions
and Material”. Posteriormente foram publicados, no Reino Unido, entre 1938 e 1946, os
relatórios Fire Grading of Buildings que serviram como base para regulamentação
oficial estabelecida em 1952.
Durante as décadas seguintes, houve em todo o mundo investimentos em pesquisas
relacionadas a incêndios. No Brasil, essas regulamentações tiveram um grande impulso
na década de setenta, após incêndios dos edifícios Andraus e Joelma na cidade de São
Paulo, e da Caixa Econômica na cidade do Rio de Janeiro.
Em 1979 foi instalado o Laboratório de Ensaios de Fogo do Instituto de Pesquisas
Tecnológicas do Estado de São Paulo, permitindo a realização de diversos ensaios em
diferentes componentes estruturais. Mas foi em 1993 que o Estado de São Paulo, pelo
decreto Nº 38069, sancionou as “Especificações para Instalações de Proteção contra
Incêndio” baseando em consultorias internacionais e estabelecendo medidas de proteção
a serem adotadas em edificações.
No ano de 1995, o CB-24, com contribuição da ABCEM – Associação Brasileira de
Construtores de Estruturas Metálicas, apontou um grupo de trabalho que elaborou o
texto base de uma “norma de tempos” de resistência ao fogo para edifícios e uma
”norma de dimensionamento de estruturas metálicas em situação de incêndio”. Desses
resultaram as normas atuais que vigoram no país, a NBR-14323:1999 –
“Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio –
Procedimento” e NBR 14432: 2001 – “Exigências de resistência ao fogo de elementos
construtivos de edificações – Procedimentos”.
1.4.2 – CONSIDERAÇÕES GERAIS
Muito se estuda a respeito da resistência ao fogo de elementos estruturais submetidos a
cargas de incêndio, CARVALHO (2002).
21
O software INSTAF (Instability Analyses In Fire), Najjar (1994), foi elaborado para
analisar o comportamento bidimensional de pórticos de aço. A partir dele, várias
implementações foram feitas por diversos autores na tentativa de abranger a maioria dos
tipos estruturais existentes. BAILEY (1995), trabalhando na Universidade de Sheffield,
introduziu nesse programa análise com ligações semi-rígidas, efeitos de flambagem
lateral por torção a temperaturas elevadas e elementos de casca para representar a laje,
além de incluir o tratamento da reversão das deformações no resfriamento, originando o
programa VULCAN (uma homenagem ao Deus romano do fogo). Este programa
permite o uso de diferentes distribuições de temperatura na seção transversal, tendo sido
utilizado com sucesso para analisar estruturas de edifícios de andares múltiplos em
incêndio. Sua validação foi feita amplamente através dos resultados obtidos nos ensaios
realizados em Cardington, BURGESS e PLANK (1999).
No Brasil, SOUZA JR (1998) gerou uma ferramenta computacional com formulação em
elementos finitos que analisa pórticos planos de aço submetidos a altas temperaturas.
Um elemento de viga-coluna isoparamétrico de 2 nós e 3 graus de liberdade por nó, foi
utilizado. A formulação do elemento envolve grandes deslocamentos e pequenas
deformações. Os resultados desse estudo mostraram que o efeito de segunda ordem
deve ser necessariamente levado em conta na análise e que a plastificação não pode ser
ignorada na modelagem, uma vez que a tensão de escoamento decresce com a elevação
da temperatura.
O elevado custo da proteção passiva é o grande problema da construção em aço WANG
(1997) propôs uma técnica de proteção parcial em vigas mistas aplicada apenas à mesa
inferior até a um quarto da altura da alma. Um software, via MEF, avaliou a distribuição
de temperatura na seção transversal composta, dividindo-a em um número determinado
de elementos retangulares e integrando a equação de transferência de calor. A malha
empregada para análise da transferência de calor pôde ser utilizada também para cálculo
da capacidade plástica da peça, tendo o autor concluído que o uso da proteção parcial
pode reduzir consideravelmente o custo total da proteção passiva.
Em CLARET et al. (1999) é proposta uma técnica para redução do custo de proteção
passiva que também consiste na proteção parcial de vigas mistas, mas em parte do vão.
Com o emprego do programa VULCAN, foi possível prever a resposta de vigas mistas
em situação de incêndio. Verificou-se que a temperatura da parte não protegida chegou
22
a ser 50% mais alta que a temperatura da parte protegida. Com os resultados
apresentados nestas análises, pôde-se concluir que para perfis soldados, usuais no
Brasil, uma economia de 20 a 30% no custo da proteção passiva pode ser alcançada
utilizando esta técnica de proteção parcial.
A técnica de proteção parcial no centro do vão de uma viga mista também foi
examinada por COSTA (2001) em seus estudos paramétricos e resultou em economia
de proteção passiva em relação a métodos convencionais. A técnica de proteção lateral
(no início e na extremidade do vão) pareceu ser mais econômica, mas deve ser
observada a dificuldade de aplicação da proteção nas ligações. Já a proteção total não
uniforme tem um custo mais elevado que as duas primeiras, estudadas por CLARET et
al. (1999) e COSTA (2001).
23
CAPITULO 2
2 – DIMENSIONAMENTO DO GRANDE EDIFÍCIO HORIZONTAL
O dimensionamento de perfis metálicos que formam os pórticos principais dos grandes
edifícios horizontais deste trabalho tem a NBR 8800: 1986 – “Projeto e Execução de
Estruturas de Aço em Edificações”, que é a norma regulamentadora no Brasil. Essa
norma tem como base o método dos estados limites e estabelece as condições que
devem ser atendidas no projeto, na execução e na inspeção das estruturas de aço dos
edifícios.
Fazendo uso das informações desta NBR, o valor da resistência utilizado no
dimensionamento da estrutura é alcançado a partir do valor nominal das propriedades do
material e das seções em conjunto com uma fórmula deduzida racionalmente baseada
em modelos analíticos que represente o comportamento do elemento no estado limite. A
resistência de cálculo é igual ao valor nominal da resistência multiplicado por um fator
que leva em conta as incertezas inerentes à resistência.
No método dos estados limites, os mecanismos de ruptura são diferentes para cada tipo
de solicitação e, desta maneira, a adição de tensões do método elástico de análise de
tensões é substituída por fórmulas empíricas de interação. Essas equações de interação
podem descrever o comportamento verdadeiro dos elementos, desde que considerem as
situações de estabilidade mais facilmente encontradas, SALMON e JOHNSON (1980).
Considerando as diferentes situações relativas aos casos de flexão, as equações
utilizadas neste trabalho são as equações encontradas na NBR 8800: 1986.
2.1 – EQUAÇÃO DA RESISTÊNCIA
Tomando-se conta somente o escoamento da seção transversal do pilar, observa-se a
interação da força normal com o momento fletor. Para que não ocorra o escoamento
deve-se obedecer à desigualdade abaixo:
24
‫ܯ‬ௗ௬
ܰௗ
‫ܯ‬ௗ௫
+
+
≤ 1.0
߶ܰ௡ ߶௕ ‫ܯ‬௡௫ ߶௕ ‫ܯ‬௡௬
(2.1)
Onde:
ܰௗ é a força normal de cálculo considerada constante ao longo da barra;
‫ܯ‬ௗ௫ e ‫ܯ‬ௗ௬ são iguais a ܰௗ ݁௫ e ܰௗ ݁௬ , respectivamente, e são momentos fletores de
cálculo (solicitantes), na seção considerada, em torno dos eixos “x” e “y”,
respectivamente;
߶ܰ௡ = 0.9ܳ‫݂ܣ‬
(2.2)
Q = coeficiente que leva em consideração a flambagem local. De acordo com o índice
de esbeltez dos elementos da seção, poderá valer 1,0 ou menos.
߶௕ ‫ܯ‬௡௫ ݁ ߶௕ ‫ܯ‬௡௬ resistências de cálculo aos momentos fletores em torno dos eixos “x” e
“y”, respectivamente. Para o caso de se ter flexão em torno do eixo de maior inércia em
perfis H e ܰௗ de compressão, o ߣ௣ para o estado limite de flambagem local da alma
valerá:
‫ܧ‬
ܰௗ
ߣ௣ = 3.5ඨ ቆ1 − 2.8
ቇ,
݂௬
0.9ܰ௬
ߣ௣ = 1.47ඨ
‫ܧ‬
,
݂௬
para
para
ܰௗ
≤ 0.207
0.9ܰ௬
ܰௗ
> 0.207
0.9ܰ௬
(2.3)
(2.4)
߶௕ = 0.9, coeficiente de segurança.
2.2 – EQUAÇÃO DA ESTABILIDADE
Considera a possibilidade de instabilidade do pilar para a não ocorrência de tal
fenômeno. Leva em conta a interação da força normal com o momento fletor. A
desigualdade abaixo deve ser obedecida:
25
‫ܥ‬௠௬ ‫ܯ‬ௗ௬
ܰௗ
‫ܥ‬௠௫ ‫ܯ‬ௗ௫
+
+
≤ 1.0
ܰௗ
ܰௗ
߶௖ ܰ௡ ቀ1 −
ቁ
߶
‫ܯ‬
൬1
−
൰
߶
‫ܯ‬
0.73ܰ௘௫ ௕ ௡௫
0.73ܰ௘௬ ௕ ௡௬
(2.5)
Onde:
ܰௗ , ‫ܯ‬ௗ௫ , ‫ܯ‬ௗ௧ , ߶௕ ‫ܯ‬௡௫ e ߶௕ ‫ܯ‬௡௬ já foram definidos;
‫ܥ‬௠௫ ݁ ‫ܥ‬௠௬ são coeficiente correspondentes à flexão em torno dos eixos “x” e “y”
respectivamente, determinados de acordo com a classificação de estrutura em
deslocável ou indeslocável, segundo a NBR 8800: 1986;
߶௖ ܰ௡ , resistência de cálculo à compressão;
߶௖ , equivalente à 0.9, coeficiente de segurança;
ܰ௘௫ e ܰ௘௬ , são cargas de flambagem elástica por flexão em torno dos eixos “x” e “y”
respectivamente, calculas segundo a norma NBR 8800: 1986.
2.3 – ESFORÇOS DEVIDO À AÇÃO DO VENTO
No dimensionamento dos perfis que constituem o grande edifício horizontal, também
foram consideradas as forças devido à ação estática do vento. A definição da força
devido à ação do vento é muito importante para as edificações estruturadas em aço, que
devido à esbeltez dos perfis que podem vir a colapsar quando expostos a esta
solicitação.
A NBR 6123: 1990 – “Forças devido ao vento em edificações”, regulamenta a obtenção
desses esforços levando em consideração a velocidade característica do vento em
diferentes regiões do Brasil, os fatores topográficos envolvidos, a rugosidade do terreno,
dimensões da edificação, altura sobre o terreno, além dos fatores estatísticos.
2.3.1 – VELOCIDADE BÁSICA DO VENTO (V0)
A NBR 6123: 1990, defini como velocidade básica do vento (V0) a velocidade de uma
rajada de 3s, superada em média ao menos uma vez a cada 50 anos, a 10 metros acima
26
do solo, em campo aberto e plano, como identificado na Figura 2.1. A regra geral
considera que o vento sopre em todas as direções.
Figura 2.1 – Isopletas da velocidade básica do vento, V0 (m/s).
2.3.2 – FATOR TOPOGRÁFICO (S1)
O relevo do terreno e suas variações são as considerações levadas em conta para a
definição do fator topográfico (S1), que são definidos da seguinte forma:
•
Terreno plano ou fracamente acidentado adota-se S1 = 1.0;
•
Taludes e morros alongados nos quais pode ser admitido um fluxo de ar
bidimensional soprando no sentido indicado na Figura 2.2.
27
Se localizados nos pontos A ou C da Figura 2.2a temos S1 = 1.0, se localizado no ponto
B da mesma figura, S1 é uma função S1(z), o que não se aplica neste trabalho devido as
condições de implantação dos grandes edifícios horizontais descritos anteriormente.
Sendo assim, brevemente, demonstra abaixo essa função como na NBR 6123: 1990.
Figura 2.2 – Fator topográfico S1(z).
28
2.3.3 – RUGOSIDADE DO TERRENO, DIMENSÕES DA
EDIFICAÇÃO E ALTURA SOBRE O TERRENO: FATOR (S2)
A determinação do fator S2 é a combinação da rugosidade do terreno, da variação da
velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da edificação em
consideração.
A velocidade do vento aumenta com a altura acima do terreno, aumento este que
depende da rugosidade do terreno e do intervalo de tempo considerado na determinação
da velocidade, que está relacionado com as dimensões do edifício.
As condições para a determinação do fator S2 estão definidos na NBR 6123: 1990.
2.3.3.1 – RUGOSIDADE DO TERRENO
A NBR 6123: 1990 divide a rugosidade do terreno em cinco categorias descritas abaixo
sucintamente:
•
Categoria I: Superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de 5 km de
extensão, medida na direção e sentido do vento incidente;
•
Categoria II: Terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível, com
poucos obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas;
•
Categoria III: Terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e
muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas;
•
Categoria IV: Terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco espaçados,
em zona florestal, industrial ou urbanizados;
•
Categoria V: Terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e
pouco espaçados.
2.3.3.2 – DIMENSÕES DA EDIFICAÇÃO
O valor médio da velocidade do vento pode se calculado em qualquer intervalo de
tempo. Usualmente este intervalo corresponde a 3s correspondente a rajadas cujas
dimensões envolvem convenientemente obstáculos de até 20 metros na direção do vento
médio.
29
Para a definição das partes da edificação a considerar na determinação das ações do
vento, é necessário considerar características construtivas ou estruturais. A NBR 6123:
1990 subdividem em três classes as edificações para orientar neste calculo:
•
Classe A: Todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças
individuais de estruturas sem vedação. Toda edificação na qual a maior
dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 m;
•
Classe B: Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão
horizontal ou vertical da superfície frontal esteja entre 20 m e 50 m;
•
Classe C: Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão
horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50 m.
2.3.3.3 – ALTURA SOBRE O TERRENO
A NBR 6123: 1990 define valores para diversas categorias de rugosidade do terreno e
classes de dimensões das edificações, mostrados na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Fator S2.
Z (m)
≤5
10
15
20
30
40
50
60
80
100
120
140
160
180
200
250
300
350
400
420
450
500
A
1,06
1,10
1,13
1,15
1,17
1,20
1,21
1,22
1,25
1,26
1,28
1,29
1,30
1,31
1,32
1,34
I
B
1,04
1,09
1,12
1,14
1,17
1,19
1,21
1,22
1,24
1,26
1,28
1,29
1,30
1,31
1,32
1,34
C
1,01
1,06
1,09
1,12
1,15
1,17
1,19
1,21
1,23
1,25
1,27
1,28
1,29
1,31
1,32
1,33
A
0,94
1,00
1,04
1,06
1,10
1,13
1,15
1,16
1,19
1,22
1,24
1,25
1,27
1,28
1,29
1,31
1,34
II
B
0,90
0,98
1,02
1,04
1,08
1,11
1,13
1,15
1,18
1,21
1,23
1,24
1,26
1,27
1,28
1,31
1,33
C
0,89
0,95
0,99
1,02
1,06
1,09
1,12
1,14
1,17
1,20
1,22
1,24
1,25
1,27
1,28
1,31
1,33
Categoria
III
A
B
C
0,88 0,86 0,82
0,94 0,92 0,88
0,98 0,96 0,93
1,01 0,99 0,96
1,05 1,03 1,00
1,08 1,06 1,04
1,10 1,09 1,06
1,12 1,11 1,09
1,16 1,14 1,12
1,18 1,17 1,15
1,20 1,20 1,18
1,22 1,22 1,20
1,24 1,23 1,22
1,26 1,25 1,23
1,27 1,26 1,25
1,30 1,29 1,28
1,32 1,32 1,31
1,34 1,32 1,33
A
0,79
0,86
0,90
0,93
0,98
1,01
1,04
1,07
1,10
1,13
1,16
1,18
1,20
1,22
1,23
1,27
1,29
1,32
1,34
1,35
IV
B
0,76
0,83
0,88
0,91
0,96
0,99
1,02
1,04
1,08
1,11
1,14
1,16
1,18
1,20
1,21
1,25
1,27
1,30
1,32
1,35
C
0,73
0,80
0,84
0,88
0,93
0,96
0,99
1,02
1,06
1,09
1,12
1,14
1,16
1,18
1,20
1,23
1,26
1,29
1,32
1,33
A
0,74
0,74
0,79
0,82
0,87
0,91
0,94
0,97
1,01
1,05
1,07
1,10
1,12
1,14
1,16
1,20
1,23
1,26
1,29
1,30
1,32
1,34
V
B
0,72
0,72
0,76
0,80
0,85
0,89
0,93
0,95
1,00
1,03
1,06
1,09
1,11
1,14
1,16
1,20
1,23
1,26
1,29
1,30
1,32
1,32
C
0,67
0,67
7,20
0,76
0,82
0,86
0,89
0,92
0,97
1,01
1,04
1,07
1,10
1,12
1,14
1,18
1,22
1,26
1,29
1,30
1,32
1,34
30
2.3.3.4 – FATOR ESTATÍSTICO S3
Este fator é baseado em conceitos estatísticos e considera o grau de segurança requerido
e a vida útil da edificação. A velocidade básica do vento (V0) é a velocidade do vento
que apresenta um período de recorrência médio de 50 anos.
O nível de probabilidade (0,63) e a vida útil (50 anos) adotados são considerados
adequados para edificação normais. Na falta de uma norma específica sobre segurança
nas edificações ou de indicações correspondentes na norma estrutural, os valores
mínimos do fator S2 são os indicados na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – valores mínimos do fator estatístico S3.
Grupo
Descrição
S3
1
Edificações cuja ruína total ou parcial pode afetar a segurança ou
possibilidade de socorro a pessoas após uma tempestade destrutiva
(hospitais, quartéis de bombeiros e de forças de segurança,
centrais de comunicação, etc.)
Edificações para hotéis e residências. Edificações para comércio e
indústria com alto fator de ocupação
Edificações e instalações industriais com baixo fator de ocupação
(depósitos, silos, construções rurais, etc.)
Vedações (telhas, vidros, painéis de vedação, etc.)
1,10
Edificações temporárias. Estruturas dos grupos 1 a 3 durante a
construção
0,83
2
3
4
5
1,00
0,95
0,88
2.4 – COMBINAÇÕES DE CARREGAMENTOS
Seguindo a orientação da NBR 8800: 1986, as ações de carregamento são classificadas
em três categorias:
•
Ações Permanentes: são as decorrentes das características da estrutura, ou seja, o
peso próprio da estrutura e dos elementos que a compõem, como telhas, forro,
instalações, etc;
•
Ações Variáveis: são as decorrentes do uso e ocupação, tais como equipamentos,
sobrecargas em coberturas, vento, temperatura, etc;
•
Ações Excepcionais: são as decorrentes de incêndios, explosões, choques de
veículos, efeitos sísmicos, etc.
31
Sendo este trabalho de caráter orientativo, serão levadas em consideração as
combinações como normais, visto que com a definição de carregamento acima, as
combinações para estado limite último podem classificar as combinações como normais
ou excepcionais
As combinações de carregamento definidas no item 4.8.1 da NBR 8800: 1986 são as
seguintes:
∑ (γ
g
× G ) + γ q1 × Q1 + ∑ (γ qj ×ψ j × Q j )
(2.6)
Onde:
Q1= ação variável predominante para o efeito analisado;
Qj = demais ações variáveis;
γg = coeficientes de ponderação das ações permanentes;
γq = coeficientes de ponderação das ações variáveis;
ψ = fatores de combinação.
Para dimensionamento estrutural utilizam-se as seguintes combinações (cargas
fatoradas):
•
1,3 x Ações Permanentes;
•
1,3 x Ações Permanentes + 1,5 x Sobrecargas;
•
1,0 x Ações Permanentes + 1,4 x Vento;
•
1,3 x Ações Permanentes + 1,5 x Sobrecargas + 0,6 x 1,4 x Vento;
•
1,3 x Ações Permanentes + 1,4 x Vento + 1,00 x 1,5 x Sobrecargas.
32
CAPITULO 3
3 – ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS GRANDES EDIFÍCIOS
HORIZONTAIS
3.1 – INTRODUÇÃO
A definição do sistema estrutural mais eficiente, compatível com o processo de
fabricação, é fundamental para se aperfeiçoar os custos. Economia na fabricação e
montagem só é possível como resultado de conexões bem elaboradas durante a fase de
detalhamento, de acordo com as premissas de projeto. A especificação é a que mais
influencia nos custos da fabricação e montagem, onde se determinam a qualidade do
material e as tolerâncias requeridas. Outro item importante é a proteção contra a
corrosão, que, em muitos casos, pode chegar a até 25% do valor da estrutura.
3.2 – LIGAÇÕES
As ligações entre peças estruturais em aço pode se dar basicamente de duas maneiras
distintas ligações soldadas e ligações parafusadas.
3.2.1 – LIGAÇÃO SOLDADA
A solda é a técnica de unir duas ou mais partes constituídas de um todo, garantindo
entre elas a continuidade do material e, conseqüentemente, suas características
mecânicas e químicas. A aplicação da soldagem tem vestígios de utilização por volta de
3.000 a.C., na Ásia se usava a técnica hoje conhecida como soldabrasagem para unir
peças de ouro, obtendo-se trabalhos de ótima qualidade.
A soldagem moderna existe desde a década de 20, quando começou a ser mais utilizada
na engenharia estrutural, compreendendo edifícios e pontes.
Atualmente é possível se fazer uso de todas as vantagens que a solda oferece,
permitindo que temores com relação a trinca e fadiga sejam eliminados.
33
Vantagens
•
A grande vantagem está na economia do material, porque o uso de soldagem
permite o aproveitamento total do material (área líquida = área bruta). As
estruturas soldadas permitem eliminar uma grande percentagem de chapas de
ligação em relação às estruturas parafusadas;
•
As estruturas soldadas são mais rígidas porque os elementos normalmente estão
soldados diretamente um ao outro ao contrário das ligações parafusadas,
invariavelmente feitas através de chapas de ligação ou cantoneiras;
•
Facilidade de se promover modificações nos desenhos das peças e corrigir erros
durante a montagem a um custo menor do que as parafusadas;
•
O uso de uma quantidade menor de peças e, como resultado, menor tempo de
detalhe, fabricação e montagem.
Desvantagens
•
Uma desvantagem das estruturas soldadas de grande extensão é a redução que
sofrem no comprimento devido aos efeitos acumulativos de retração;
•
Energia elétrica insuficiente no local de montagem, o que exigiria a colocação
de geradores para o acionamento das máquinas de solda;
•
Exige maior análise de fadiga do que as estruturas parafusadas, podendo, em
muitos casos, reduzir as tensões admissíveis a níveis muitos baixos.
3.2.2 – LIGAÇÕES PARAFUSADAS
As ligações parafusadas são empregadas em grande escala nas ligações de partes das
estruturas nas montagens finais de campo e nas de fábrica. Os parafusos vieram
substituir, com vantagens, as ligações rebitadas usadas durante muito tempo no Brasil.
As principais vantagens e desvantagens deste tipo de ligação são:
Vantagens
•
Rapidez nas ligações de campo;
•
Economia em relação ao consumo de energia, podendo se empregadas em locais
onde há pouca energia disponível;
34
•
Uso de poucas pessoas, não muito qualificadas, como é o caso dos soldadores;
•
Melhor resposta às tensões de fadiga.
Desvantagens
•
Necessidade de verificação de áreas líquidas e esmagamento das peças, o que
muitas vezes exige reforço destas partes;
•
Necessidade de previsão antecipada, para evitar falta de parafusos na obra;
•
Necessidade, em alguns casos, de se realizar uma pré-montagem de fábrica para
casamento perfeito dos furos.
3.2.3 – TIPO DE LIGAÇÕES
Ligação viga com viga.
A ligação mais comum entre vigas é feitas por meio de chapas ou cantoneira com uso de
parafusos. A Figura 3.1a ilustra em elevação e perspectiva uma solução viga-viga
parafusada com uso de cantoneira. A Figura 3.1b indica uma solução com a viga
soldada diretamente a outra. A Figura 3.1c mostra uma viga ligada a outra através de
parafusos em uma chapa soldada.
35
Figura 3.1 – Ligações viga-viga (fonte: Bellei 1986).
Ligação viga com pilar.
Nas ligações viga-pilar vários tipos de soluções são usadas, tais como as com uso de
cantoneira ou chapas na alma (Figura 3.2a); com cantoneira de assento para
cisalhamento e ou pequenos momentos (Figura 3.2b, c e d); com chapa de extremidade
usada para ligações cisalhamento e momento (Esquerda da Figura 3.2b), todas com uso
de parafusos.
36
Figura 3.2 – Ligações vigas com pilares parafusadas (fonte: Bellei 1986).
37
Ligação pilar com pilar ( pilares tipo I e H).
A ligação entre pilares podem ser feitas por meio de soldas, parafusos ou mista. Os
critérios usuais para este tipo de ligação são:
Ligação por contato.
Considerando que a transmissão de esforços seja feita por contato direto entre as
superfícies dos perfis, estas faces devem ser usinadas ou serradas desde que a falta de
esquadro não seja superior a 2 mm. Nesse caso, a ligação tanto parafusada como
soldada pode ser acatada considerando apenas uma parte do esforço a ser transmitido
pelos parafusos ou pela solda.
Como o AISC não oferece uma explicação clara a este respeito, adotou-se o item 4.9.8
da NBR 8800: 1986 que diz “Nos edifícios de andares múltiplos, as emendas de pilares
devem ser capazes de suportar uma força de tração correspondente à maior força normal
de compressão de cálculo, obtida da combinação entre carga permanente e carga
acidental, atuante no pilar em um pavimento situado entre a emenda em consideração e
a emenda posicionada imediatamente abaixo”.
No caso da ligação parafusada, as espessuras das talas devem ter a mesma espessura das
partes a serem juntadas, ou seja, a espessura das talas de alma deve ser igual ou superior
a da alma do perfil, o mesmo acontecendo com a espessura das mesas.
No caso da ligação soldada topo a topo a solda pode ser de penetração parcial ou filete,
de modo que atenda à carga calculada. É comum o uso de soda de filete em ambos os
lados na alma e de penetração parcial nas mesas.
Ligações sem contato.
Se a falta de esquadro das superfícies não permitem um bom contato como especificado
anteriormente a solução a se adotar é que a ligação seja responsável pela transmissão da
carga total respeitando o item 4.9.8 da NBR8800: 1986.
38
Ligação pilar com a fundação.
A ligação pilar com a fundação deve merecer atenção especial, pois o comportamento
da estrutura está intimamente ligado neste sistema de fixação.
Em geral, os pilares são fixados aos blocos de fundação através de placas de base e
chumbadores.
O intuito da colocação das bases das colunas é:
•
Distribuir a pressão concentrada do fuste da coluna sobre uma determinada área
as fundação;
•
Garantir a fixação da extremidade inferior do fuste dos pilares na fundação de
acordo com o esquema estrutural adotado.
Existem dois tipos básicos de base: rotulada e engastada. A base aqui estudada é do tipo
engastada.
As bases engastadas propiciam estruturas mais econômicas. A finalidade é engastar os
pilares às fundações por meio de uma série de artifícios tornando-as o mais real possível
com relação ao esquema estrutural adotado. São dimensionadas para resistir as cargas
horizontais, verticais e aos momentos de engastamento. A base engastada mais simples
e mais usada é aquela em que o pilar é soldado à placa de base, com os chumbadores
afastados da linha de centro, formando um braço de alavanca (Figura 3.3a). Quando as
cargas são elevadas e o cálculo indica chapas de grande espessura, usa-se o artifício de
enrijecê-las com pequenas nervuras para que sua espessura seja reduzida (Figura 3.3b).
Outra alternativa é fixar os chumbadores a uma altura de 300 mm a 500 mm da base,
oferecendo um ótimo engastamento (Figura 3.3c). Quando a carga vertical é pequena
para um momento grande, a solução é usar travessas que proporcionem um bom engaste
e um grande afastamento dos chumbadores, implicando em chumbadores de menores
dimensões (Figura 3.3d).
39
Figura 3.3 – Base engastada (fonte: Bellei 1986).
Chumbadores são barras que tem a finalidade de fixar as bases dos pilares às fundações.
Em geral, são formados por barras redondas de aç
aço SAE 1020 com Limite de
Escoamento fy=2.400
00 kgf/cm² e Limite de Ruptura fu=3.870 kgf/cm²
40
3.3 – LIMPEZA E PROTEÇÃO DAS ESTRUTURAS
3.3.1 – LIMPEZA
A limpeza de estruturas metálicas é o processo pelo qual as peças passam antes de
receber qualquer tratamento de superfície. A limpeza em aço propende à remoção de
óleo, gordura, graxas, casca de laminação e partes oxidadas. Os processos de limpeza
mais empregados são os seguintes:
•
Utilização de solventes – é feita com solventes isentos de óleo, aplicados sobre
a superfície, com panos. O uso de estopas deverá ser evitado no preparo de
superfícies para receber pintura;
•
Desagregação natural – consiste em deixar estrutura exposta às intempéries por
determinado período, até que ocorra a formação abundante de ferrugem sob a
casca de laminação. A retirada da casca torna-se bastante fácil por meios
mecânicos. Este processo é recomendado pelo SP-9 do SSPC;
•
Limpeza manual – emprega-se raspadeiras, escovas manuais ou mecânicas
(com fios de aço ou bronze), lixadeiras, pistolas de agulhas etc.
Antes desta limpeza serão removidas por martelagem as camadas grossas de
ferrugem e por meio de solventes óleos, gorduras. Este método é admissível em
pequenas peças, em que não seja possível utilizar outros meios;
•
Limpeza mecânica – empregam-se as mesmas ferramentas de limpeza manual,
porém a preparação da superfície será feita de um modo mais completa para
obtenção do brilho metálico;.
•
Limpeza com chamas – consiste em rápida aplicação de maçarico em chama
sobre a superfície metálica. Por diferença de dilatação, há desagregação da casca
de laminação. É muito utilizado na remoção de pinturas antigas. A limpeza final
é feita com escova mecânica;
•
Limpeza com jato abrasivo (areia ou granalha) – é o método mais empregado
e de maior eficiência na preparação de superfícies para pintura. Para a execução
deste serviço, os equipamentos mais utilizados são as maquinas de jato, que
basicamente, são compostas de um reservatório de abrasivo (areia ou granalha
de aço), acoplado a uma tubulação de ar comprimido e a um tubo flexível com
um bico na extremidade para projeção do abrasivo na superfície metálica.
41
Cabines de jato também são utilizadas com a mesma função, tendo como
vantagens principais o reaproveitamento do material por sistema de sucção e a
não-contaminação do meio ambiente pelas partículas em suspensão, como
ocorre no jateamento tradicional com areia;
•
Decapagem – entende-se por decapagem a retirada de qualquer camada de
impureza depositada sobre uma superfície metálica. Os processos utilizados para
a realização de decapagem são diversos, dependendo do grau de limpeza
desejada, do tipo de impureza depositada e do fim a que se destinam os materiais
decapados.
Para atingir estes objetivos são usados processos mecânicos ou químicos, sendo
comum a utilização de ambos os processos na realização de decapagem.
Os processos mecânicos já foram citados no item sobre limpeza. A decapagem
química é um processo que consiste na remoção das camadas de impureza,
obtendo-se a limpeza do material com empregos de ácidos. Os ácidos
empregados neste processo são: ácido clorídrico (muriático), ácido sulfídrico ou
ácido fosfórico.
O processamento consiste em submeter o material a uma sucessão de banhos em
tanques ou cubas, contendo ácido apropriado, obtendo-se normalmente a
seguinte seqüência de operações: desengraxamento, decapagem e neutralização.
Entre cada operação, procede-se à devida lavagem do material.
3.3.2 – PINTURA
Pintura é toda composição aplicada à superfície de aço com a finalidade de protegê-la
contra a corrosão causada pelo meio em que será exposta, de modo a garantir sua vida
útil.
Se a estrutura não for adequadamente protegida, pode sofrer danos por corrosão durante
o transporte, a estocagem e a montagem de campo, antes mesmo de sua utilização.
Usualmente, as peças estruturais são pintadas com uma a duas de mãos de tinta de
fundo (primer), imediatamente após sua limpeza, na oficina, e em seguida recebem um a
duas de mãos de tinta de acabamento.
42
Após a montagem de campo, todas as peças que ainda não receberam pintura (cabeças
de rebites e parafusos, porcas, filetes de solda, áreas junto dos parafusos nas ligações
por atrito etc) devem ser retocadas com a mesma tinta de fundo, antes de receberem a
tinta de acabamento.
Requisitos gerais
A limpeza de superfície é uma das etapas principais da pintura. O investimento feito
com as melhores tintas e com a mão-de-obra para a sua aplicação poderá ser
completamente perdido se a superfície não for adequadamente tratada. Por isso, a
superfície metálica, antes de receber qualquer película de tinta, deve estar
completamente seca, limpa, isenta de impureza como sais, produtos de corrosão,
partículas higroscópicos ou gorduras, de acordo com os métodos e normas de limpeza já
referidos anteriormente.
Para obter-se uma vida útil máxima da estrutura, a aplicação é tão importante quanto a
limpeza de superfície e a seleção correta da tinta. Todo sistema de pintura envolve as
diversas fases, que vão desde a preparação da superfície até a pintura de acabamento.
Geralmente, a pintura propriamente dita se inicia com a homogeneização de cada
componente da tinta e o ajuste de sua viscosidade ao processo de aplicação escolhido.
Cada método de aplicação apresenta vantagens, desvantagem e limitação no emprego e
nos resultados. Os mais usados são:
•
A pulverização a ar comprimido é o mais versátil, sendo, por isso mesmo, o
“convencional”. Incide na utilização de pistolas, encontradas no mercado em
grande quantidade de modelos, o que permite um bom número de combinações,
possibilitando a aplicação dos mais variados tipos de tinta e a obtenção de
efeitos especiais. Este é o mais rápido e econômico método de pintura, mas o
que exige maiores conhecimentos especializados.
•
Aplicação por pulverização sem ar (“airless”) é particularmente indicado para
pintura de chaparias e grande estruturas; facilitada a aplicação de tintas viscosas
praticamente sem necessidade de solvente, alcançando grande espessura por
demão.
43
•
O de aplicação de primeira demão de tinta de fundo com pincel geralmente é
considerado uma boa prática, quando se almeja obter um contato mais íntimo da
tinta com a superfície, principalmente na vedação.
•
A aplicação com rolos é uma alternativa recomendada para superfície planas de
grande extensão, sendo útil também na pintura de telas de arame.
•
O método de aplicação por imersão é usado em determinado casos,
proporcionando formação rápida, contínua e uniforme da película. Este método é
econômico, tanto em material quanto em trabalho, mas as peças a serem pintadas
não devem ter ângulos agudos, recessos e outros acidentes que dificultem a
penetração da tinta.
O sistema de pintura é elaborado tendo em vista a necessidade e superfície resistência
ao ambiente, durante um tempo mínimo, adequado a tornar a pintura econômica.
O estudo do ambiente tem por intuito o conhecimento de suas características químicas,
isto é, não só quanto à sua agressividade, mas também quanto à existência de condições
abrasivas, radiações, esforços mecânicos etc. Basicamente, há três ambientes definidos
para tipos de pintura: ambiente rural, industrial e orla marítima.
3.4 – MONTAGEM
Entende-se como montagem o ato de vincular as peças que vão compor uma estrutura
final, conforme especificado nos desenhos de projeto. É o coroamento de toda a obra,
quando se saberá se houve ou não um bom projeto. Nesta fase, a estrutura ou parte dela,
pode sofrer danos ou queda por um mau planejamento de montagem ou por um projeto
mal concebido ou mal detalhado.
Uma montagem bem elaborada necessita acima de tudo de um bom planejamento. As
montagens de estruturas metálicas se caracterizam pela rapidez, precisão, adaptabilidade
e confiabilidade.
44
CAPITULO 4
4 – PROTEÇÕES CONTRA INCÊNDIO
4.1 – INTRODUÇÃO
Para se atingir os objetivos e exigências de resistência ao fogo, pode ser necessário
adotar as mais variadas medidas de proteção contra incêndio, as quais se classificam em
medidas de proteção ativas e passivas. O melhor projeto de segurança contra incêndio é
realizado pela implantação de um conjunto de sistemas destas proteções, sendo as
proteções ativas aquelas que contribuem efetivamente no combate ao incêndio e as
passivas as que garantem uma resistência ao fogo aos elementos estruturais e de
compartimentação.
4.2 – MATERIAIS DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO
(PROTEÇÃO PASSIVA)
Quando um elemento estrutural de aço não resiste às solicitações de cálculo em situação
de incêndio, ou seja, para o TRRF de projeto o aço atinge uma temperatura que
promove uma perda indesejável de sua resistência mecânica, se faz necessário a
aplicação superficial de um material isolante térmico (proteção passiva) no mesmo.
Os materiais de proteção contra incêndio devem ser bons isolantes térmicos em
temperaturas elevadas e manterem-se íntegros durante a evolução do incêndio, sem
apresentar fissuras ou descolamentos. Estes materiais têm a função de retardar o
aumento da temperatura do elemento estrutural metálico, permitindo que este mantenha
uma resistência compatível com a solicitação atuante durante o incêndio. São
geralmente aplicados através de jateamento ou em forma de placas ou mantas fixadas ao
perfil através de pinos metálicos soldados.
Os revestimentos de proteção contra incêndio podem ser classificados quanto a
morfologia em revestimentos tipo contorno e tipo caixa. Na Figura 4.1 são mostrados
estes dois tipos para uma viga I sobreposta por uma laje de concreto.
45
Figura 4.1 – (a) Proteção tipo contorno e (b) Proteção tipo caixa, aplicados à uma viga I
sobreposta por laje de concreto.
Alguns dos mais usados materiais de proteção contra incêndios são listados abaixo e
detalhados paulatinamente nos itens subsequentes:
• Argamassas projetadas;
• Tintas Intumescentes;
• Mantas;
• Painéis de materiais fibrosos;
• Placas de gesso acartonado;
• Argamassas de vermiculita.
Detalhes e propriedades destes materiais serão abordados no item 4.5.
4.3 – PROPRIEDADES FÍSICAS E TÉRMICAS DOS MATERIAIS
DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO
No dimensionamento da espessura de materiais de proteção contra incêndio, que são
aplicados em um perfil metálico, as principais propriedades que devem ser levadas em
conta são: massa específica, calor específico e condutividade térmica desses materiais.
46
Na Tabela 4.1 apresenta-se, para alguns materiais isolantes térmicos, valores médios do
calor específico, condutividade térmica e massa específica para o cálculo da evolução
da temperatura em elementos de aço.
Pode-se concluir, através dos valores apresentados na Tabela 4.1 que um material
isolante térmico que possui uma baixa condutividade térmica geralmente possui uma
baixa massa específica. Isso significa que uma proteção com uma pequena
condutividade térmica terá em regra uma capacidade calorífica (quantidade de energia
fornecida a um corpo, necessária para que a temperatura deste se eleve 1 grau. Sua
unidade no S.I. é o J.K-1) reduzida. Devido a isso, a capacidade calorífica é desprezada
na maioria das aplicações práticas, pois geralmente o volume de material de proteção
utilizado é muito pequeno.
O calor específico e a condutividade térmica do material de proteção variam com o
aumento da temperatura e, atualmente, são poucos os estudos experimentais que
permitem conhecer as leis de variação destas propriedades com a temperatura. Sendo
assim, se nos cálculos para o dimensionamento das proteções contra incêndio, forem
utilizados os valores do calor específico a 20°C, isto levará a resultados a favor da
segurança.
Como exemplo, na Figura 4.2 está representado à variação do calor específico do gesso
com o aumento da temperatura. Este material tem uma variação bastante irregular em
virtude de uma série de reações químicas que se processam durante o aquecimento. Na
Figura 4.3 está representada a variação da condutividade térmica de tijolos cerâmicos de
várias densidades com a temperatura.
47
Tabela 4.1 – Valores médios para a massa específica, condutividade térmica e calor
específico de alguns materiais utilizados como proteção contra incêndio em estruturas
metálicas (NEVES,1994; MARTINS, 2000).
Através dessa tabela, pode-se observar que a condutividade térmica dos concretos
celulares aumenta com o aumento da massa específica.
48
4.4 – TRANSMISSÃO DE CALOR EM MATERIAIS SÓLIDOS
Neste item serão discutidos os mecanismos de transferências de calor com um enfoque
na influência das propriedades físicas e térmicas das proteções contra incêndio na
transferência de calor do compartimento de incêndio para as estruturas de aço.
A transmissão de calor entre materiais sólidos ocorre de três modos diferentes:
a) Convecção.
b) Radiação;
c) Condução.
Figura 4.2 – Variação do calor específico do gesso com o aumento da temperatura
(NEVES, 1994).
49
Figura 4.3 – Variação da condutividade térmica de um tijolo cerâmico com o aumento
da temperatura (NEVES, 1994).
Convecção
Ocorre transmissão de calor por convecção quando no material existem espaços de ar
com dimensão suficiente para permitir a circulação de ar aquecido das regiões mais
quentes para as mais frias. Nos materiais de proteção a contribuição deste tipo de
transmissão de calor é desprezível.
Radiação
A transmissão de calor por radiação ocorre de maneira acentuada nos materiais porosos.
As zonas mais quentes das superfícies dos poros transmitem calor por radiação para as
zonas mais frias. A transmissão de calor por radiação aumenta fortemente com a
temperatura e esse fato explica o aumento significativo da condutividade térmica de
materiais porosos com a temperatura, como é o caso de algumas lãs minerais.
Aumentando a massa específica do material isolante térmico consegue-se diminuir a
transmissão de calor por radiação.
50
Condução
A transmissão de calor por condução ocorre através da interação entre partículas (ponto
material que possui determinados atributos). Em materiais pouco porosos a transmissão
de calor ocorre fundamentalmente através de condução.
O calor é transmitido das partículas com um nível de energia elevado para as partículas
com um nível de energia mais baixo. Esta transmissão aumenta com a temperatura, o
que tende a aumentar a condutividade térmica. Por outro lado, o aumento de
temperatura aumenta a desordem das partículas e provoca uma transmissão de calor em
todas as direções, o que tende a diminuir a condutividade térmica.
Os materiais cristalinos têm uma estrutura ordenada à temperatura ambiente e, por isso,
uma condutividade térmica relativamente elevada. O aumento de temperatura aumenta a
desordem das partículas e também o número destas com um alto nível de energia. Em
geral, o aumento da desordem é preponderante e estes materiais apresentam
condutividade térmica decrescente com a temperatura.
Nos materiais amorfos as partículas encontram-se reunidas de forma desordenada e o
aumento de temperatura não acarreta um aumento dessa desordem. No entanto, o
número de partículas com auto nível de energia aumentará. Deste modo, os materiais
amorfos têm em geral baixa condutividade térmica à temperatura ambiente, aumentando
o seu valor com o aumento da temperatura.
Os materiais de proteção contra incêndio são normalmente constituídos de uma mistura
de substâncias cristalinas e amorfas. Portanto, a variação com a temperatura da
condutividade térmica desses materiais dependerá da percentagem de cada uma dessas
substâncias.
51
4.5 – DESCRIÇÕES DE ALGUNS MATERIAIS DE PROTEÇÃO
CONTRA INCÊNDIO
4.5.1 – ARGAMASSAS PROJETADAS
Trata-se de materiais incombustíveis, à base de fibras minerais e cimentos (ligantes),
com excelentes propriedades termo-acústicas, elevados índices de resistência à erosão
eólica e são aplicados por processo de projeção pneumática (jateamento).
Estes produtos além de não agredirem o aço, o protege contra a corrosão. Para a sua
aplicação a estrutura deverá estar livre de óleos, graxas, ferrugens, carepa ou elementos
estranhos, tendo em vista a total garantia de aderência às estruturas metálicas.
Dispensam o uso de qualquer tipo de ancoragens ou processos de sustentação e a forma
de envolvimento da estrutura deverá ser do tipo “contorno”.
Os sistemas de materiais projetados são os mais utilizados em todo o mundo para a
proteção passiva contra fogo de estruturas metálicas, em virtude da grande eficiência,
baixo custo e alta velocidade de aplicação. Porém, requerem a limpeza posterior do
ambiente e dependem de bons acessos para aplicação. Possuem aparência de um
chapisco rústico, mas podem ser pintados com produtos especiais ou tintas látex sempre
que houver necessidade de um melhor padrão estético. Podem ser usados em locais
expostos a intemperismo com o uso de produtos especiais de cobertura.
Podem ser divididos entre os cimenticios - compostos por alto índice de material
aglomerante, tais como gesso, cimento e minerais inertes - e as fibras projetadas. Estas
são produtos compostos por fibras minerais, geralmente lã de rocha, misturadas com
baixo teor de aglomerante. A Figura 4.4 mostra um pilar metálico protegido com
argamassa a base de cimento e fibras minerais.
52
Figura 4.4 – Argamassa projetada (COSTA, 2001)
4.5.2 – TINTAS INTUMESCENTES
Trata-se de um sistema composto de primer, tinta intumescente e tinta de acabamento.
As tintas intumescentes são materiais aplicados na superfície do perfil, como se fossem
uma pintura espessa. São produtos reativos ao calor que, aproximadamente a 200°C,
intumescem, ou seja, iniciam um processo de expansão volumétrica. Esta expansão
volumétrica pode ser de até 35 vezes a espessura inicial de aplicação, que geralmente
varia de 0,55 a 2,5 mm.
Após a expansão volumétrica esta tinta adquire uma característica esponjosa. Tendo os
seus poros preenchidos por gases não tóxicos, que atuam em conjunto com resinas
especiais formando uma espuma rígida na superfície da estrutura, a qual provoca o
retardamento da elevação da temperatura nos elementos metálicos.
Para estruturas sem pintura ou tratamento prévio, é requerido um lixamento mecânico
ou jato de areia para a preparação superficial. Após a preparação da superfície é
requerida a aplicação de um primer epóxi com base em zinco com espessura de 70 a
53
150µm. Sua aplicação pode ser feita através de rolo, pincel ou spray e a espessura
máxima por demão não deve ser superior a 400µm.
O acabamento é obtido através da aplicação de um produto com aparência final similar
a uma pintura epóxi convencional. As tintas intumescentes fornecem excelente
acabamento, todavia são materiais caros e devem ser utilizados com cautela para não
inviabilizarem economicamente o empreendimento. As Figuras 4.5 e 4.6 mostram,
respectivamente, um exemplo de aplicação de tinta intumescente e sua expansão
volumétrica em situação de incêndio em um perfil de aço protegido.
Figura 4.5 – Tinta Intumescente, (COSTA, 2001)
54
Figura 4.6 – Expansão volumétrica em situação de incêndio em um perfil de aço
protegido (fonte: Dowling, 2003).
4.5.3 – MANTAS
As mantas podem ser de fibra cerâmica, lã de rocha ou qualquer outro material fibroso.
São geralmente aplicadas como proteção tipo contorno e fixadas por meio de pinos de
aço previamente soldados à estrutura.
Devido a suas características e forma de aplicação, são boas alternativas para a proteção
de estruturas de edificações já em funcionamento, pois este sistema gera menos sujeira
que os materiais projetados. Por possuir um acabamento rústico, é interessante que
fiquem ocultas sobre forros ou sejam envolvidas por materiais específicos de
acabamento.
Mantas de fibra cerâmica
Trata-se de um produto desenvolvido para resistir até duas horas de incêndio e por ser
um material flexível é muito utilizado como proteção tipo contorno. A manta cerâmica é
um produto obtido da eletrofusão de sílica e alumina. As fibras que a compõe são
55
multidirecionais e entrelaçadas por um processo contínuo de agulhamento, conferindo
às mantas boa resistência ao manuseio e à abrasão. Seu ponto de fusão ocorre
aproximadamente a 1760°C, e suportam trabalhar continuamente à 1260°C. São
fornecidas em rolos com massa específica de 96 e 128 kg/m³.
Podem ser usadas tanto como proteção tipo caixa quanto tipo contorno. Porém, para
proteções tipo contorno, tornam-se antieconômicas para a proteção de perfis com altura
superior a 150 mm, pois nesses casos faz-se necessário o emprego de uma tela ao redor
do perfil como base para apoio das mantas.
Podem ser fornecidas completamente encapsuladas em folhas de alumínio reforçado
com trama de fibra de vidro. Estas folhas resistem ao manuseio durante a aplicação,
bem como às condições ambientais adversas, possuindo resistência à umidade. A Figura
4.7 mostra o exemplo de uma viga metálica protegida por uma manta cerâmica.
Figura 4.7 – Viga metálica protegida com manta cerâmica (COSTA, 2001)
56
4.5.4 – PAINÉIS DE MATERIAIS FIBROSOS
Os painéis de materiais fibrosos possuem funcionamento e propriedades térmicas
bastante semelhantes aos das mantas e são aplicados no sistema caixa. São feitos com
materiais fibrosos como lã de rocha, em geral aglomerados com resinas.
Painéis de lã de rocha
São painéis com excelentes propriedades termo-acústicas, produzidos a partir de rochas
basálticas e componentes inorgânicos. Têm suas fibras obtidas através de processos de
fibragem por centrifugação, aglutinados por resina termofixa.
Esses painéis são fixados em pinos previamente soldados à estrutura e travados por
arruelas metálicas. Alternativamente, os painéis podem ser fixados por sistemas de
travamento de encaixe sob pressão, sem a necessidade da utilização de soldagens na
estrutura.
Esses materiais não agridem o aço. Trata-se de um material higroscópico, permeável à
umidade. Devido a isto, recomenda-se o tratamento convencional de proteção
anticorrosiva da estrutura. Estes materiais não devem ficar expostos às intempéries ou a
exposição pública, tendo em vista seu acabamento estético rústico e ainda seus baixos
índices de resistência mecânica. A Figura 4.8 mostra o exemplo de uma estrutura de
cobertura protegida por painéis de lã de rocha e na Figura 4.9 um pilar metálico
protegido por placas cerâmicas.
57
Figura 4.8 – Estrutura de uma cobertura protegida com painéis de lã de rocha (COSTA,
2001).
Figura 4.9 – Placa Cerâmica, (COSTA, 2001)
58
4.5.5 – PLACAS DE GESSO ACARTONADO
Existe no mercado placas de gesso acartonado que possuem características específicas
para a proteção contra fogo de estruturas metálicas. Essas placas possuem custo superior
às placas de gesso acartonado denominadas de “dry-wall”, utilizadas geralmente como
materiais de vedação. Porém, podem ser uma boa solução em projetos onde existam
requisitos de acabamento. Este tipo de proteção deve ser utilizado no interior dos
edifícios, pois externamente sofrem agressão da umidade.
4.5.6 – ARGAMASSA DE VERMICULITA
O produto é obtido através de uma mistura à base de vermiculita expandida, cimento
hidráulico e aglomerante minerais com adição de água potável fresca. A argamassa de
vermiculita é um dos produtos mais antigos utilizados no Brasil para a proteção de
estruturas metálicas.
São produtos de grande resistência mecânica e a intemperismo. São utilizados
principalmente em áreas industriais sujeitas à abrasão ou atmosferas quimicamente
agressivas. Para sua aplicação devem ser soldados pinos metálicos de acordo com um
“lay-out” pré-determinado. As estruturas são envolvidas por telas de malha hexagonal,
fixadas através de arruelas de pressão. O revestimento é aplicado por processo de
projeção pneumática. O acabamento normal para a argamassa à base de vermiculita é
rústico, similar a um chapisco grosseiro, podendo ser feito um acabamento após a
aplicação.
São argamassas de agregado leve, à base de vermiculita, que pertence ao grupo dos
minerais micáceos, com ponto de fusão em torno de 1370°C. A vermiculita, quando
aquecida, perde água, intumesce e se expande. Sua massa específica é de 100 a 130
kg/m³. É encontrada na forma de flocos, para dosagem em obra, ou pré-misturada a seco
com aditivos e cimento, para posterior adição de água.
As espessuras da proteção com argamassa de vermiculita variam de 10 a 40 mm e
possuem uma massa específica que varia entre 300 e 800 kg/m3, dependendo da
dosagem da argamassa e da capacidade de isolamento requerida. A Figura 4.10 mostra
um exemplo de aplicação de uma argamassa à base de vermiculita.
59
Figura 4.10 – Vigas de aço revestidas com argamassa de vermiculita, por meio de
“spray” (COSTA, 2001)
60
CAPITULO 5
5 – MÉTODO PROPOSTO
Para este trabalho, utilizamos para definir os perfis constituintes do edifícios horizontais
exemplificados o software Cype cad, considerando a velocidade básica do vento igual a
40 m/s, de acordo com a NBR 6123: 1990. Posteriormente partimos para as análises
térmicas que justificam este trabalho.
Para tais, dispondo primeiramente do software TASEF que resulta em um histórico de
temperaturas de cada parte da estrutura em relação ao tempo de exposição ao incêndio
simulado. Este histórico é introduzido no software VULCAN, que exprime as
deformações do pórtico em relação ao histórico de temperatura do TASEF, onde
podemos observar o comportamento das estruturas ensaiadas.
Os valores de deslocamentos resultantes do VULCAN são implementados no software
SAP2000 (versão 9), para que o comportamento da parede de vedação do edifício seja
exibido. Desta forma podemos analisar como cada parte da estrutura interfere na
movimentação da parede de vedação lateral
5.1 – TASEF
O TASEF é um software de análise térmica cuja principal função é descrever o histórico
de temperaturas em uma estrutura submetida a um gradiente térmico, que no nosso caso
é o incêndio. O TASEF utiliza elementos isoparamétricos bidimensionais triangulares e
quadrangulares com 3 e 4 nós, respectivamente.
Para a realização da análise, a seção transversal do perfil é modelada por uma malha de
elementos finitos quadrangulares e a temperatura de cada ponto nodal é calculada para
cada passo de tempo. É necessário, então, resolver uma equação de equilíbrio análoga à
equação utilizada para solução de problemas estruturais:
61
ሾ‫ܭ‬ሿሼ∆ߠሽ = ሼ∆ܳሽ
(5.1)
onde:
ሾ‫ܭ‬ሿ é a matriz de condutividade térmica;
ሼ∆ߠሽ é o vetor de incrementos das temperaturas nodais;
ሼ∆ܳሽ é o vetor de fluxos de calor nodais incrementais.
5.1.1 – DISCRETIZAÇÃO TRANSVERSAL DOS PERFIS EM
ELEMENTOS FINITOS
Para obtenção das temperaturas nodais em cada passo de tempo (cada incremento de
temperatura), faz-se necessário a discretização do perfil a ser analisado em elementos
finitos. Conforme citado anteriormente, serão utilizados elementos quadrangulares
isoparamétricos. Deve-se fazer uma discretização de modo a compatibilizar a
discretização transversal do TASEF com a do VULCAN, que é padronizada e será
apresentada oportunamente.
Como dados de entrada, são fornecidas ao TASEF: características geométricas do perfil
a ser analisado, propriedades do material, temperatura ambiente e temperatura inicial da
estrutura, identificação dos grupos de nós que receberão diretamente o fluxo de calor,
tempo de análise e curva de incêndio a qual o perfil está submetido.
O programa possui em seu banco de dados características térmicas de quatro materiais:
aço, concreto e duas lãs minerais de 50 kg/m³ e 140 kg/m³. Para efetuar análises
utilizando qualquer dos materiais anteriormente citados, é necessário somente informar
ao programa o tipo de material utilizado. Todavia, outros materiais podem ser utilizados
desde que se conheça e se forneça as características térmicas de tais materiais.
O TASEF permite que se utilize grupos de nós para introdução de diferentes
emissividades em cada região do perfil. A COMMISSION OF THE EUROPEAN
COMMUNITIES (1993), sugere que a emissividade do perfil seja adotada de acordo
com a Figura 5.1.
62
Figura 5.1 – Determinação da Emissividade.
As emissividades ilustradas na Figura 5.1 foram baseadas em estudos de feitos de
Sombra e as equações apresentadas, na maioria dos casos, resultam em valores muito
próximos aos adotados na Figura 5.2, podendo estes valores, sem grandes erros, serem
utilizados nas análises térmicas.
63
Figura 5.2 – Emissividade Simplificada.
Algumas observações importantes devem ser consideradas na elaboração da malha a ser
utilizada pelo TASEF. A primeira delas, de extrema importância para a interpretação
dos resultados, é que os nós são numerados em seqüência, crescendo primeiramente em
y e depois em x. A segunda, não menos importante que a primeira para a interpretação
dos resultados, é que os eixos cartesianos são rotacionados de um ângulo de 90º em
sentido horário em relação ao sistema de eixos convencional, como pode ser visto na
Figura 5.3. Note também, que para a discretização da seção é necessário a utilização do
que, no TASEF, chama-se de nós fictícios. Para discretizar um perfil I, como o ilustrado
na Figura 5.3, é necessário definir toda uma região, chamada pelo programa de região
principal, que tem dimensões, neste caso, de bf/2 e h, ou seja, um retângulo com
vértices nos nós 1 e 36. Desta região principal retira-se uma região retangular com
vértices no nó 12 e nó 34, chamada de região fictícia. Esta região é, então,
desconsiderada pelo programa durante a análise. Durante a análise, é como se a região
formada pelos nós 22, 23, 24, 31, 32 e 33 não existisse, o que nos remete à estrutura
real. Os demais nós são chamados de nós homogêneos.
A análise é feita considerando a exposição direta dos nós 1, 10,19, 28, 29, 30, 21, 12,
13, 14, 15, 16, 25, 34, 35, 36, 27, 18 e 9 ao incêndio com duração do TRRF específico
para cada estrutura. Cabe salientar que a escolha da malha de elementos finitos,
64
apresentada na Figura 5.3, é feita de acordo com a malha da seção transversal do
VULCAN, software utilizado para realizar as análises estruturais avançadas neste
trabalho, que tem uma configuração fixa.
Figura 5.3 – Discretização em Elementos Finitos do Perfil I – sem proteção.
Conforme mencionado anteriormente, o TASEF fornece o histórico de temperaturas ao
longo do tempo, para cada nó homogêneo discretizado na estrutura real. Porém, nem
todos esses nós tem interesse direto para as análises estruturais. Para uma melhor
compreensão dos nós que realmente interessam, apresenta-se na Figura 5.4, a malha da
seção transversal predefinida pelo VULCAN.
65
Figura 5.4 – Malha da Seção Transversal do Elemento Utilizado pelo VULCAN.
A malha da seção transversal do elemento de viga-coluna do VULCAN, como visto na
Figura 5.4, tem 13 nós predefinidos. Nesses nós é necessário conhecer a variação de
temperatura ao longo do tempo. Para isso é necessário proceder a uma compatibilização
entre a malha do TASEF e a malha do VULCAN, que, para este perfil, é mostrada na
Tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Compatibilização de Nós do TASEF e VULCAN.
Nó do Tasef
Nó do Vulcan
2
3
4
6
5
7
6
8
8
11
20
2e4
29
1e5
26
10 e 12
35
9 e 13
5.2 – O VULCAN
Nenhum método de análise estrutural teve aceitação tão ampla quanto o método dos
elementos finitos. Após o seu surgimento e seu desenvolvimento em paralelo com o dos
66
computadores digitais, a sua aplicação aos domínios mais desafiantes da Engenharia
ocorreu rapidamente, com ampla validação experimental. Porém, sua aplicação à análise
do comportamento estrutural em incêndio deu-se tardiamente.
Devido ao alto custo e às limitações físicas de ensaios em fornos para obtenção da
resposta em incêndio, muito rapidamente sentiu-se a necessidade de elaboração de
modelos analíticos confiáveis para viabilizar a análise da resposta das peças estruturais
sob altas temperaturas. Métodos de modelamento avançados, ensaios de incêndio e
ensaios de subestruturas mostraram a necessidade de considerar o efeito da
hiperestaticidade e da distribuição não uniforme de temperaturas no caso de análise de
estruturas reais, BAILEY (1995).
Os primeiros modelos faziam uma estimativa da temperatura crítica de vigas de aço
isoladas, sob distribuição uniforme de temperatura passando-se, em trabalhos
posteriores, à consideração de distribuição de temperatura variável. O método dos
elementos finitos começou a ser utilizado em 1975, mas o primeiro programa de grande
porte foi o FASBUS II (Fire Analysis of Steel Building Systems), IDING e BRESLER
(1981). O grupo de Engenharia de Incêndio da Universidade de Sheffield, Inglaterra,
elaborou um programa denominado INSTAF. BAILEY (1995) descreve as
implementações feitas no programa INSTAF para introdução de análise de ligações
semi-rígidas em incêndio. Em uma linha evolutiva, o INSTAF foi modificado para
introduzir a análise de lajes em ação estrutural composta com vigas de aço. Esta versão
do programa foi denominada VULCAN.
VULCAN é um programa de análise tridimensional desenvolvido com a finalidade de
modelar o comportamento de estruturas de edifícios trabalhando conjuntamente com
lajes sob condições de incêndio. Nele a estrutura é modelada como uma montagem de
elementos de vigas, pilares, molas, conectores de cisalhamento e lajes. As vigas-coluna
são representadas por elementos de barra unidimensionais de 2 nós, tendo cada nó 8
graus de liberdade em coordenadas locais e 11 graus de liberdade em coordenadas
globais, permitindo a simulação de flexão composta oblíqua, de flambagem lateral por
torção e, ainda, de torção e empenamento, como ilustra a Figura 5.5.
67
Figura 5.5 – Elemento de viga-coluna do VULCAN com seus graus de liberdade em
coordenadas locais e globais, (BAILEY, 1995).
A laje é representada por um elemento de placa de 4 nós, com 5 graus de liberdade por
nó, Figura 5.6. Os nós dos diferentes tipos de elementos estão definidos em um plano de
referência fixo comum. Para representar as características das ligações aço-aço e
ligações semi-rígidas de um pórtico, um elemento de mola com 2 nós de comprimento
nulo, com os mesmos graus de liberdade do elemento de viga-coluna, pode ser usado,
Figura 5.7. A interação de vigas de aço e lajes de concreto é representada usando um
elemento de ligação também com 2 nós e comprimento nulo, com três graus de
liberdade translacionais e dois rotacionais em cada nó para simular um conector de
cisalhamento.
68
Figura 5.6 – Elemento de placa do VULCAN.
Figura 5.7 – Graus de liberdade para o elemento de mola do VULCAN em coordenadas
locais, (BAILEY, 1995).
Como em qualquer solução de problemas contínuos em elementos finitos, o
comprimento total da barra é dividido em diversos elementos conectados entre si pelos
pontos nodais. Os deslocamentos dos pontos nodais são as variáveis do problema. A
equação de equilíbrio do modelo para uma análise não-linear é dada por:
69
ሾ‫ ்ܭ‬ሿሼ∆‫ݑ‬ሽ = ሼ∆ܲሽ
(5.2)
onde:
ሾ‫ ்ܭ‬ሿ é a matriz de rigidez tangente;
ሼ∆‫ݑ‬ሽ é o vetor de incrementos dos deslocamentos nodais;
ሼ∆ܲሽ é o vetor de forças nodais incrementais.
A Equação 5.2 pode ser utilizada para trabalho com não-linearidade física e geométrica.
Uma vez que a equação de equilíbrio é não-linear é necessário adotar-se métodos
numéricos adequados para a sua solução. O problema da não-linearidade do modelo é
então resolvido pelo processo de Newton-Raphson modificado, um dos métodos antigos
muito usados para essa finalidade. Conforme ilustra a Figura 5.8, a matriz de rigidez
ഥ் ሿ. Existem várias possibilidades
ሾ‫ ்ܭ‬ሿ é substituída por uma aproximação constante ሾ‫ܭ‬
ഥ் ሿ pode ser escolhida, por exemplo, como a matriz
para esta comparação. ሾ‫ܭ‬
ഥ் ]ଵ௜ , ou ainda ser a matriz correspondente a um
correspondente à primeira iteração [‫ܭ‬
ഥ் ሿଵ .
passo inicial de carregamento ሾ‫ܭ‬
Figura 5.8 – Método de Newton-Raphson modificado.
70
O vetor de cargas incrementais é composto de cargas externas e cargas internas e, ainda,
de esforços ocasionados pelas tensões térmicas. O processo iterativo é encerrado quando
elementos negativos aparecem na diagonal principal da matriz de rigidez durante o
processo de eliminação de Gauss, caracterizando, assim, o colapso da estrutura.
FERREIRA et al (2005).
Para permitir uma considerável variação de tensão, de deformação e de temperatura na
seção transversal representada, esta é definida por 13 pontos nodais, o que a divide em
12 segmentos, conforme a Figura 5.9.
Figura 5.9 – Malha da seção transversal com os pontos nodais.
O programa VULCAN foi reformulado, PLANK et al. (2002), para que seu elemento de
viga tenha apenas 6 graus de liberdade, resultando em tempos de processamento
menores e melhor interface com o usuário. Em paralelo, está em desenvolvimento a
interface que permite a representação gráfica de todos os resultados, tais como,
deformações tridimensionais, padrões de fissuração e gráficos convencionais.
71
CAPITULO 6
6 – ESTUDO DE CASO
6.1 – ESTRUTURA ANALISADA
Foi estudado um edifício horizontal, ilustrado na Figura 6.1, neste caso a inclinação do
telhado adotada foi de 3°, O edifício possui área de 6.000m², sendo 60 metros de largura
(B) e 100 metros de comprimento (L), sendo o vão entre os pórticos principais é de
10,00 metros.
A área de abertura do galpão corresponde a 25 metros quadrados e está localizada nos
fundos da edificação. Os pilares externos possuem 12 metros de altura (H), biengastados na bases e bi-rotulados no topo. Os pilares internos são bi-engastados na
base e bi-articulados no topo, devido a inclinação da cobertura a altura dos pilares
internos, atingindo 12,90 metros no pilar central. As dimensões e vinculações do pórtico
principal são mostradas na Figura 6.2.
Pórticos principais em alma cheia, compostos por perfis soldados, aço ASTM A36, as
telhas são trapezoidais de aço galvanizado, pesando 0,07 kN/m², o peso estimado da
estrutura metálica (exceto pilares) é de 0,15 kN/m² na cobertura, a sobrecarga, de
acordo com a NBR 6120: 2000 - Cargas para o Cálculo de Estruturas – de 0,25 kN/m²
na cobertura.
72
Figura 6.1 – Edifício horizontal típico.
Figura 6.2 – Dimensões e vinculações do pórtico principal em metros.
Após a análise de dimensionamento estrutural usando o procedimento e softwares
descritos nos capítulos anteriores deste trabalho, chegou-se a definição de que tipo de
perfil atenderia nossas necessidades tendo como parâmetro os limites estabelecidos na
NBR 8800: 1986. A seção transversal, a disposição dos perfis do pórtico principal são
ilustrados nas Figuras 6.3 e 6.4, as dimensões dos perfis que montam o pórtico principal
são identificados na Tabela 6.1.
73
Figura 6.3 – seção transversal dos perfis do pórtico principal.
Figura 6.4 – Perfis que montam a estrutura do pórtico principal.
Tabela 6.1 – Dimensões dos perfis.
Descrição
Perfil
h(mm)
bf (mm)
tw (mm)
tf (mm)
Pilar extremo
CS 300x76
300
300
8,0
12,5
Pilar central
CS 300x62
300
300
8,0
9,5
Vigas
VS 500X73
500
250
6,3
12,5
Para o prosseguimento da análise usando o software Vulcan, se faz necessário a
montagem de uma malha de nós ilustrada na Figura 6.5, assim como os esforços a que
cada nó é submetido, as solicitações de peso próprio, sobrecargas e combinações dos
74
esforços solicitantes foram calculados usando o procedimento descrito nos capítulos
anteriores deste trabalho. A Figura 6.6 ilustra como foram dispostos tais solicitações.
8.125 N
8.125 N
4.063 N
12.276 N
8.389 N
9460 N
8.125 N
8.125 N
9460 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
8.389 N
8.798 N
8.593 N
8.125 N
9460 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
9460 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
9460 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
8.125 N
8.389 N
12.276 N
9460 N
8.125 N
4.063 N
Figura 6.5 – Malha de nó para introdução no software Vulcan.
Figura 6.6 – Carregamento combinados atuantes no pórtico principal.
6.1.2 – SISTEMA DE FECHAMENTO
Como o objetivo desse trabalho é demonstrar o comportamento do pórtico principal e
do sistema de fechamento lateral exposto numa situação de incêndio. Descrevem-se, a
seguir, resumidamente os itens constituintes do fechamento do edifício.
O sistema de fechamento lateral do edifício analisado é constituído de dois pilaretes,
terças e telhas de fechamento. Devido às grandes dimensões de altura e espaçamento
entre os pórticos principais – Figura 6.7.
75
Figura 6.7 – Vista de parte da estrutura de fechamento lateral dimensões em milímetros.
Pilaretes
Os pilaretes que constituirão o fechamento lateral do trabalho em questão serão perfis
soldados VS, espaçados entre de 3,33 metros, engastados na base e apoiados na
extremidade superior para esforços de pressão nas paredes (vento de pressão). Para
esforços de sucção, a extremidade superior do pilarete será livre. Este comportamento
dúbio é obtido através da inclusão de um elemento estrutural, geralmente perfil
“cartola” de chapa dobrada ou I laminado, fixados nas terças de cobertura e
“trabalhando” somente à compressão.
Com o auxilio do programa VisualMetal os procedimentos de cálculo para verificação
da resistência à tração, compressão, esforço cortante, flexão, flexotração e
flexocompressão, limitando o resultado sempre ao deslocamento máximo horizontal
estabelecido pelo Anexo C da NBR 8800: 1986, que neste caso será L/200 (onde L é a
altura do pilarete).
76
•
VisualMetal, versão 1.6 - Programa para dimensionamento de elementos de aço
laminados
os e soldados segundo a NBR8800: 1986,, desenvolvido pela
Universidade de Passo Fundo, RS.
Com isso defini-se que o perfil adotado
a
será o perfil
rfil VS 300x38 para o pilarete do
sistema de fechamento lateral.
Terças
As terças serão compostas por perfil Z dobrado a frio, aço ZAR 345 (galvanizado),
sendo consideradas apoiadass nos pilaretes e nas colunas dos pórticos principais,
conforme detalhe de ligação - Figura 6.8.
Figura 6.8 – Fixação das terças em pilares metálicos (Fonte: catálogo Medabil)
Seguindo as orientações de cálculo da norma norte-americana
norte
AISI 2001 – American
Iron and Steel Institute, a flecha admissível para as terças de fechamento é L/180, para
combinação de deformação gravitacional,
g
e L/120 para combinação de deformação de
vento de sucção.
O perfil utilizado foi o perfil “Z” dobrado a frio enrijecido 172 Z 17 (espessura da chapa
de 1,7 mm), ver Figura 6.9,, nas terças do tapamento lateral.
77
Figura 6.9 – Dimensões perfil “Z” dobrado a frio enrijecido 172 Z 17 (Norma AISI)
Telhas de aço
Para o tapamento lateral, utilizou-se
utilizou se chapas de aço galvanizado com corrugação
trapezoidal, por possuir maior inércia que as chapas ondulad
onduladas
as e permitir maior
espaçamento entre vigas de apoio. A Figura 6.10 exibe as dimensões dos elementos
estruturais que compõem o sistema de fechamento lateral.
Após a análise, obtenção dos esforços solicitantes e consulta ao catalogo do fabricante
(Perfilor – LR 40 – ArcelorMittal
ArcelorMittal), adotou-se a espessura de 0,5
5 mm para telhas de aço
do sistema de fechamento lateral, apoiada em cinco pontos e flecha máxima L/180.
Figura 6.10 – Dimensões das chapas de aço em milímetros
milímet
(fonte: catálogo Perfilor –
ArcelorMittal)
78
Dados de resistência mecânica da telha:
•
Limite de Escoamento - 230 MPa mínimo;
•
Limite à Tração - 310 MPa mínimo;
•
Alongamento 50 mm - 20% mínimo;
•
Dobramento - 1,5 vezes a espessura.
Ligações entre as terças e as telhas do sistema de fechamento lateral.
Para o sistema de fechamento lateral em estudo são analisadas ligações parafusadas,
visto que estas, no caso, apresentam vantagens significativas em relação às ligações
soldadas, como descrito no item 3.2.2 deste trabalho.
É primordial destacar que, quando existe a necessita de aços resistentes à corrosão
atmosférica, devem-se empregar parafusos que tenham essas mesmas características. A
diferença de potencial eletroquímico entre o revestimento de zinco do parafuso e o aço
da estrutura pode ocasionar uma corrosão localizada acelerada.
As ligações entre as telhas e as terças representam como toda ligação, uma parte crítica
da estrutura, devendo as mesmas ser analisadas de forma a se obter o melhor sistema de
ligação possível para o caso em questão. Segundo FONSECA, SIMÕES E MARTINS
(2002), existem três tipos básicos de problemas relacionados às ligações parafusadas,
são eles: o colapso da ligação, os problemas de corrosão e o detalhamento incorreto. A
seguir serão apresentados alguns problemas em ligações parafusadas que levam ao
colapso da ligação.
•
Cisalhamento do parafuso;
•
Rasgamento da chapa entre furos ou entre furo e borda;
•
Esmagamento da chapa;
•
Ruptura do parafuso.
Para o dimensionamento das ligações deve ser utilizada a NBR 14762: 2001 Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio –
Procedimento, a qual prevê as seguintes verificações para ligações parafusadas:
rasgamento entre furos ou entre furo e borda, pressão de contato (esmagamento), força
79
normal de tração no parafuso, força cortante no parafuso e ação conjunta de tração e
cisalhamento no parafuso.
O rasgamento entre furo ou entre furo e borda ocorre devido a inadequações de projeto,
normalmente quando a chapa possui dimensões insuficientes para o carregamento que a
solicitará. A chapa pode ter seu furo alargado ou sua superfície rasgada na direção da
tensão. Neste caso a força resistente de cálculo ao rasgamento FRD deve ser calculada
pela Equação 6.1.
FRD =
t × e × fu
γ
(6.1)
onde:
t = espessura do elemento conectado analisado;
e = distância, na direção da força, do centro do furo à borda mais próxima do furo
adjacente ou à extremidade do elemento conectado;
fu = resistência à ruptura do aço (metal-base);
γ = 1,35
A pressão de contato (esmagamento) provoca grande deslocamento na estrutura em
função do esmagamento da chapa. A chapa não chega a rasgar, porém, o escoamento
nela ocasionado na região do furo pode gerar deslocamentos na estrutura. A força
resistente de cálculo ao esmagamento FRD é dada pela Equação 6.2.
FRD =
2,4 × d × t × f u
γ
(6.2)
onde:
d = diâmetro nominal do parafuso;
t = espessura do elemento conectado analisado;
80
fu = resistência à ruptura do aço (metal-base) e;
γ = 1,35.
A ruptura do parafuso por tração ocorre quando a tensão gerada pela tração do parafuso
é superior à resistência do mesmo, podendo este escoar e romper, levando a estrutura ao
colapso. A força normal de tração resistente de cálculo Nt ,RD é calculada pela Equação
6.3.
N t , RD =
0,75 × A p × f up
γ
(6.3)
onde:
Ap = área bruta da seção transversal do parafuso;
fup = resistência à ruptura do parafuso na tração;
γ = 1,55 para parafusos comuns e parafusos sem qualificação estrutural e;
γ = 1,35 para parafusos de alta resistência.
O cisalhamento do parafuso ocorre devido à presença de uma tensão de cisalhamento
superior à resistência de cálculo. A força cortante de cálculo V RD quando o plano de
corte passa pela rosca deve ser calculada pela Equação 6.4.
VRD =
0,45 × A p × f up
γ
(6.4)
onde:
Ap = área bruta da seção transversal do parafuso;
fup = resistência à ruptura do parafuso na tração;
γ = 1,65 para parafusos comuns e parafusos sem qualificação estrutural e;
γ = 1,55 para parafusos de alta resistência.
81
Quando na ligação há parafusos submetidos a esforço normal de tração e a esforço
cortante, além da verificação dos esforços isoladamente, faz-se necessária a verificação
dos mesmos combinados. Para parafusos sem qualificação estrutural e para parafusos
comuns ou de alta resistência devem ser satisfeitas as condições das Equações 6.5 e 6.6,
respectivamente.
 N t ,Sd

N
 t ,Rd
 N t ,Sd

N
 t ,Rd
  VSd
+
 V
  Rd
  VSd
+
 V
  Rd

 ≤ 1,0

(6.5)

 ≤ 1,25

(6.6)
onde:
Nt ,Sd = força normal de tração solicitante de cálculo;
Nt ,Rd = força normal de tração resistente de cálculo;
VSd = força cortante solicitante de cálculo e;
VRd = força cortante resistente de cálculo.
A NBR 14762: 2001 determina ainda algumas disposições construtivas acerca de
ligações parafusadas, especificando que a distância livre entre as bordas de dois furos
adjacentes não deve ser inferior a 2d, e a distância da borda de um furo à extremidade
do elemento conectado não deve ser inferior a d, onde d é o diâmetro nominal do
parafuso.
A escolha do tipo de parafuso foi feita em função da praticidade na hora da ligação no
sistema de fechamento lateral. Sendo assim, os parafusos autoperfurantes se
apresentaram como os mais indicados para a aplicação em estudo, sendo o tipo de ponta
destes parafusos uma característica importante a ser destacada.
82
Os parafusos autoperfurantes possuem três tipos diferentes de ponta, que perfuram o
material a ser fixado sem necessidade de furo prévio, já que a mesma não possui a
tendência de escorregar sobre a chapa.
A ponta agulha é muito afiada, sendo capaz de perfurar metais de até 0,91 cm, podendo
ser de rosca simples (fixação de madeira) ou dupla (chapas metálicas), conforme
características do material a ser fixado. A ponta ogivada foi desenvolvida especialmente
para a aplicação em madeira que, além de muito afiada, possui um corte que facilita a
eliminação dos resíduos de madeira extraídos do furo no momento da aplicação. A
ponta broca permite perfurar metais de até 1,27 cm, fazendo-se o furo e conformando a
rosca em uma só operação.
Conforme descrições, a ponta mais indicada para o uso nas chapas em aço de 0,106 cm
dos painéis propostos é a ponta broca, que possui duas características principais: a
ranhura da broca e o comprimento da ponta.
O comprimento da ranhura da broca determina a espessura do metal que pode ser
perfurado, se a ranhura penetrar o material de tal forma a ficar completamente
embutida, os cavacos do metal travam o parafuso provocando o rompimento da ponta.
O comprimento da ponta do parafuso é determinado pela distância desta até o primeiro
fio de rosca. Esse comprimento deve ser longo o suficiente para que a operação de
perfuração termine antes que o primeiro fio alcance o metal. A velocidade de avanço da
rosca do parafuso é até dez vezes maior que a velocidade da perfuração da broca,
correndo-se o risco do parafuso romper caso a rosca toque a base antes da perfuração ter
sido terminada (PEREIRA JÚNIOR, 2004).
A Figura 6.11 exemplifica os pontos de fixação da telha com as terças do fechamento
lateral.
83
Figura 6.11 – Detalhe de fixação da telha (Fonte: Medabil)
6.2 – REGIMES DE PROTEÇÃO PARCIAL
Com o objetivo de evidenciar comportamento das estruturas quando exposta ao
incêndio, escolhemos algumas formas de proteção. O regime sem proteção foi utilizado
para servir de termo de referência, isto é, a análise da estrutura sem proteção é feita
apenas para efeito de comparação. Cada um dos casos de proteção estudados é descrito
em tópicos subseqüentes em seguida.
Para tal análise foi adotado um cenário de incêndio, Figura 6.12, que consiste de uma
área de fogo de 400,02m2 (6,667m x 60,0m) com desenvolvimento de temperatura
ambiente segundo o incêndio-padrão da NBR 5628: 2001 – Componentes Construtivos
Estruturais – Determinação da Resistência ao Fogo – Método de Ensaio. O pórtico
principal encontra-se na linha mediana da área incendiada e são considerados
envolvidos pelo fogo todos os elementos estruturais (terças horizontais, tirantes e o
pórtico principal) situados nesta área, sendo a distribuição de temperatura (∆T) em cada
perfil obtida pelo programa TASEF.
Para simular o gradiente de temperatura provocado pelo incêndio no sistema de
fechamento lateral, adotou-se a temperatura dos elementos estruturais localizados entre
84
os pilaretes como sendo a metade da temperatura (∆T/2) atuante no pórtico principal,
conforme representado na Figura 6.12.
Figura 6.12 – Cenário de incêndio (vista em planta)
6.2.1. REGIME SEM PROTEÇÃO
Nenhum elemento foi protegido neste regime. Com o auxilio do software TASEF,
foram obtidos os históricos de temperaturas, identificados nas Tabelas 6.2, 6.3 e 6.4 e
Ilustrados nas Figuras 6.13, 6.14 e 6.15, que apresentam os resultados nos pontos de
interesse para este trabalho, referentes ao centro da alma e meso dos perfis tipo “I” que
constituem o pórtico principal, durante a exposição a um incêndio padrão por 2 minutos.
85
Tabela 6.2 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x76, sem proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas.
PILAR EXTERNO
T3 (°C)
T6 (°C)
T7 (°C)
20
20
20
250
291
299
490
535
545
649
681
687
731
749
752
784
799
802
840
852
853
876
881
881
900
903
903
920
922
922
937
939
939
952
954
954
966
968
968
979
980
980
991
992
992
1001
1002
1002
1011
1012
1012
1021
1022
1022
1030
1030
1030
1038
1039
1039
1046
1047
1047
Tempo (min)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
114
120
T8 (°C)
20
285
522
668
742
794
848
879
903
922
939
954
968
980
992
1002
1012
1022
1030
1039
1047
T11 (°C)
20
222
436
594
697
751
797
853
889
913
932
948
963
976
988
999
1009
1019
1028
1036
1044
Temperatura na seção do perfil - CS 300x76
Pontos na seção do perfil
T3 4
3
30min
2
60min
90min
1
120min
0
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
Temperatura (°C)
Figura 6.13 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x76 –
sem proteção.
86
Tabela 6.3 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x62, sem proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas.
PILAR CENTRAL
T3 (°C)
T6 (°C)
T7 (°C)
20
20
20
291
301
303
544
551
553
687
691
692
752
753
753
801
803
803
853
853
853
881
881
881
903
903
903
922
922
922
939
939
939
954
954
954
968
968
968
980
980
980
992
992
992
1002
1002
1002
1012
1012
1012
1022
1022
1022
1030
1030
1030
1039
1039
1039
1047
1047
1047
Tempo (min)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
114
120
T8 (°C)
20
301
551
691
753
803
853
881
903
922
939
954
968
980
992
1002
1012
1022
1030
1039
1047
T11 (°C)
20
291
544
687
752
801
853
881
903
922
939
954
968
980
992
1002
1012
1022
1030
1039
1047
Temperatura na seção do perfil - CS 300x62
Pontos na seção do perfil
T3 4
3
30min
2
60min
90min
1
120min
0
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
Temperatura (°C)
Figura 6.14 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x62 –
sem proteção.
87
Tabela 6.4 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 500x73, sem proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas.
Tempo (min)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
114
120
VIGA
T6 (°C)
20
348
599
714
771
826
862
886
906
925
941
956
969
982
993
1003
1013
1023
1031
1040
1047
T3 (°C)
20
260
503
658
736
787
842
877
901
920
938
953
967
979
991
1002
1012
1021
1029
1038
1046
T7 (°C)
20
353
602
712
768
819
856
883
905
923
940
955
969
981
992
1003
1013
1022
1031
1039
1047
T8 (°C)
20
346
597
714
773
830
866
889
908
926
942
956
970
982
993
1004
1014
1023
1032
1040
1048
T11 (°C)
20
233
451
697
705
757
803
858
891
914
933
949
963
976
988
999
1010
1019
1028
1036
1044
Temperatura na seção do perfil - CS 500x73
Pontos na seção do perfil
T3 4
3
30min
2
60min
90min
1
120min
0
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
Temperatura (°C)
Figura 6.15 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 500x73 –
sem proteção.
88
A análise feita no software VULCAN, solicitando a estrutura do pórtico principal com
carregamentos verticais e histórico de temperaturas descrito acima, resulta nos
deslocamentos dos perfis mostrados abaixo.
A Figura 6.16 ilustra os deslocamentos do centro do pilar externo esquerdo (nó 15 a 6
m), nota-se que o deslocamento se dá crescente “para fora” (sentido negativo) tendo
valor Maximo em 107,92 mm a temperatura de 733,94°C. Os incrementos de
deslocamento com a temperatura ficam ininterruptamente mais elevados e a temperatura
de 746,52°C tem-se o run away (grandes deslocamentos para pequenos incrementos de
temperatura) característico da flambagem lateral. Os deslocamentos verticais são
crescente com a temperatura mas não existe sinal de esmagamento.
Deslocamento (mm)
Deslocamento x Temperatura
nó 15 - Pilar
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
-20.00
-40.00
-60.00
-80.00
-100.00
-120.00
20.00
77.50
120.63 163.75 206.88 250.00 450.25 650.50 738.11 746.45
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.16 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo sem proteção.
Observa-se um comportamento similar entre o nó 29, que representa o nó do topo do
pilar externo e o nó 15. A Figura 6.17 deslocando-se primeiramente “para fora” (sentido
negativo), com deslocamento máximo igual 103,37 mm aos 583,75°C. Deste ponto em
diante, o deslocamento do nó se dá “para dentro” (sentido positivo) apresentando run
89
away peculiar aos 746,52°C, com deslocamento de 149,00 mm. Os deslocamentos
verticais do nó 29 também se assemelham ao do nó 15.
Deslocamento x Temperatura
nó 29 - Pilar
200.00
Deslocamento (mm)
150.00
100.00
50.00
0.00
-50.00
-100.00
-150.00
20.00
77.50
120.63 163.75 206.88 250.00 450.25 650.50 738.11 746.45
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.17 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo sem proteção.
Observando os deslocamentos do nó 31, que se refere ao centro do primeiro tramo da
viga transversal, Figura 6.18, notamos que a viga tem flechas positivas até a temperatura
de 788,25°C, atingindo a flecha máxima de 62,93 mm aos 691,13°C. Deste ponto em
diante as flechas decrescem, o colapso ocorre a 834,82°C, situação em que o
deslocamento neste ponto é 748,72 mm negativos. Quanto aos deslocamentos
horizontais do nó 31 (deslocamentos U na Figura 6.16 abaixo) são compatíveis em
sentido e em ordem de grandeza com os deslocamentos horizontais de topo nó 29
conforme se observa na Figura 6.15.
90
Deslocamento (mm)
Deslocamento x Temperatura
nó 31 - Viga
200.00
100.00
0.00
-100.00
-200.00
-300.00
-400.00
-500.00
-600.00
-700.00
-800.00
20.00
163.50 271.13 378.75 486.38 594.00 691.13 788.25 830.74 834.79
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.18 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo sem
proteção.
6.2.2 – REGIME COM PROTEÇÃO DE 15 MILÍMETROS
Neste tópico analisaremos a estrutura dos pórticos principais do edifício, protegendo
primeiramente somente os pilares externos, posteriormente protegeremos os pilares
externos e os pilares internos e na seqüência os pilares externos e a viga com argamassa
de vermiculita descrito no item 4.5.6.
Como no procedimento de análise das estruturas sem proteção, discretizamos os perfis
no TASEF, usaremos o perfil CS 300X62 como exemplo – Figura 6.19, para obter os
históricos de temperaturas. E posteriormente no Vulcan para os deslocamentos.
91
Figura 6.19 - Discretização em Elementos Finitos do Perfil CS 300X62, Com Proteção
Parcial.
6.2.2.1 – REGIME COM PROTEÇÃO DOS PILARES EXTERNOS
Para este primeiro ensaio somente os pilares mais
mais externos receberam uma camada
protetora de argamassa de 15 mm de vermiculita. As demais estruturas constituintes do
edifício estudado permaneceram sem proteção
Do TASEF obtem-se os históricos de temperaturas para esta simulação mostrados na
Tabelas 6.5 e Figura 6.20, nos pontos de interesse. Os demais perfis não tiveram
alteração no seu histórico de temperaturas, assim para o prosseguimento do estudo
desfrutaremos das dados da análise sem proteção, mostrados nas tabelas 6.
6.3 e 6.4.
6.
92
Tabela 6.5 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x76, com proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas.
PILAR EXTERNO
Tempo (min)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
114
120
T3 (°C)
20
47
94
147
201
250
298
346
394
436
477
518
558
597
631
663
695
717
737
757
777
T6 (°C)
20
54
108
165
220
271
321
369
416
460
503
545
585
622
657
690
715
738
760
782
805
T7 (°C)
20
56
112
171
227
279
329
378
425
469
512
555
596
632
666
700
723
746
769
790
819
T8 (°C)
20
53
107
163
218
269
318
367
414
457
500
541
582
619
653
687
713
736
758
779
801
T11 (°C)
20
45
92
143
197
246
293
341
388
430
471
512
551
590
624
656
688
712
732
751
771
Temperatura na seção do perfil - CS 300x76
Pontos na seção do perfil
T3 4
3
30min
2
60min
90min
1
120min
0
0
200
400
600
800
1000
Temperatura (°C)
Figura 6.20 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x76 –
com proteção.
93
A Figura 6.21 mostra os deslocamentos do mesmo nó 15 descrito anteriormente, sendo
neste caso o perfil protegido. Pode-se observar o deslocamento negativo “ para fora”, o
deslocamento máximo igual à 82,60 mm ocorre a temperatura 717,00 °C e
posteriormente um deslocamento positivo “para dentro” sendo o run away verificado a
temperatura de 720,57 °C. Os deslocamentos verticais são crescentes com a
temperatura, em seu sentido positivo.
Deslocamento x Temperatura
nó 15 - Pilar
80.00
Deslocamento (mm)
60.00
40.00
20.00
0.00
-20.00
-40.00
-60.00
-80.00
-100.00
20.00 250.00 343.00 436.00 556.75 627.00 687.00 717.33 719.57 720.07 720.56
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.21 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo com proteção no
pilar externo.
O nó 29, que representa o topo do pilar externo apresenta um comportamento vertical
idêntico ao do nó 15, comentado acima. Os deslocamentos horizontais se mostram-se
primeiramente negativos “para fora” o deslocamento máximo se dá a temperatura de
717,00°C com um deslocamento 104,51 mm. Deste ponto em diante, o deslocamento do
nó se dá “para dentro” (sentido positivo) apresentando run away peculiar aos 720,57 °C,
como mostra a Figura 6.22. Os deslocamentos verticais mostram um comportamento
idêntico ao do nó 15.
94
Deslocamento x Temperatura
nó 29 - Pilar
Deslocamento (mm)
150.00
100.00
50.00
0.00
-50.00
-100.00
-150.00
20.00 250.00 343.00 436.00 556.75 627.00 687.00 717.33 719.57 720.07 720.56
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.22 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo com proteção no
pilar externo.
Os nós 16 e 54 representam respectivamente os nós no centro e no topo de pilar central
afastada de 10 m do pilar externo. Os comportamentos destes pontos são identificados
nas figuras 6.23e 6.24, ambos apresentam um comportamento vertical positivo e
crescente, característica do alongamento do pilar, com a elevação da temperatura sendo
o run away obtido na temperatura de 805,69°C. Os deslocamentos máximos são
identificados na temperatura de 778,00°C, sendo 62,67 mm no nó16 e no nó 54 é 126,44
mm. Os deslocamentos horizontais são nulos nos dois pontos.
95
Deslocamento x Temperatura
nó 16 - Pilar
70.00
Deslocamento (mm)
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
-10.00
20.00 329.00 420.50 512.00 627.50 691.75 743.25 778.00 801.44 804.95 805.25 805.54
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.23 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar central com proteção no
pilar externo.
Deslocamento x Temperatura
nó 54 - Pilar
140.00
Deslocamento (mm)
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
-20.00
20.00 329.00 420.50 512.00 627.50 691.75 743.25 778.00 801.44 804.95 805.25 805.54
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.24 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar central com proteção no
pilar externo.
96
A Figura 6.25, refere-se aos deslocamentos no centro o primeiro tramo da viga
transversal – nó 31. Verifica-se que a flecha tem sentido positivo até a temperatura de
784,00°C, sendo a flecha máxima aos 656,00°C com deslocamento de 84,63 mm
positivo. A partir deste ponto a flecha decresce, atingindo o colapso aos 850,40°C, onde
o valor do deslocamento é 718,45 mm negativos. Os deslocamentos horizontais do nó
31 são compatíveis em sentido e em ordem de grandeza com os deslocamentos
horizontais de topo nó 29 conforme se observa na Figura 6.22.
Deslocamento (mm)
Deslocamento x Temperatura
nó 31 - Viga
200.00
100.00
0.00
-100.00
-200.00
-300.00
-400.00
-500.00
-600.00
-700.00
-800.00
20.00
383.75
512.00
656.00
727.25
832.50
849.17
850.12
850.40
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.25 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo com
proteção no pilar externo.
6.2.2.2 – REGIME COM PROTEÇÃO DOS PILARES EXTERNOS E
INTERNOS
Para este ensaio os pilares externos e internos da estrutura do edifício receberam uma
camada protetora de 15 mm de argamassa de vermiculita. Ficando desprotegida somente
a viga.
97
O histórico de temperaturas para esta simulação mostrados na Tabelas 6.6 e Figura 6.26,
nos pontos de interesse, refere-se ao perfil dos pilares internos. O histórico do pilar
externo é o mesmo mostrado na Tabela 6.5, e o perfil da viga de travamento que não
recebeu proteção fica o mesmo da Tabela 6.4.
Tabela 6.6 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 300x62, com proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas.
PILAR INTERNO
Tempo (min)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
114
120
T3 (°C)
20
53
110
172
232
288
343
398
445
492
538
583
623
660
696
720
743
765
787
815
850
T6 (°C)
20
55
115
178
238
295
350
405
453
500
547
592
631
668
703
726
750
773
787
828
861
T7 (°C)
20
56
116
181
241
298
354
408
456
504
551
596
635
672
705
729
753
776
798
834
867
T8 (°C)
20
55
115
178
238
295
350
405
453
500
547
592
631
668
703
726
750
773
795
828
861
T11 (°C)
20
53
110
172
232
288
343
398
445
492
538
583
623
660
696
720
743
765
787
815
850
98
Temperatura na seção do perfil - CS 300x62
Pontos na seção do perfil
T3 4
3
30min
2
60min
90min
1
120min
0
0
200
400
600
800
1000
Temperatura (°C)
Figura 6.26 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 300x62 –
com proteção.
O comportamento dos nós 15 e 29, meio e topo de pilares externos respectivamente, é
ilustrado nas Figuras 6.27 e 6.28. O comportamento dos deslocamentos horizontais e
verticais dos dois pontos são idênticos, variando somente os valores obtidos.
O deslocamento horizontal se dá “para fora” sentido negativo com o aumento da
temperatura, permanecendo assim durante toda análise deste ponto. O valor de
deslocamento máximo no nó 15 é 128,91 mm negativos à temperatura de 776,00°C,
enquanto que no nó 29 o máximo de 103,29 mm ocorre a 719,50 °C. A temperatura de
colapso se dá a 767,94°C em ambos os casos, os deslocamentos são respectivamente
126,57 mm e 66,19 mm para os nós 15 e 29.
O deslocamento vertical se dá positivo e crescente com o aumento da temperatura,
continuando positivo até caracterização do colapso.
99
Deslocamento x Temperatura
nó 15 - Pilar
Deslocamento (mm)
100.00
50.00
0.00
-50.00
-100.00
-150.00
20.00
47.00 168.00 280.00 375.50 471.00 552.50 634.00 719.50 776.00
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.27 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo com proteção nos
pilares externos e internos.
Deslocamento x Temperatura
nó 29 - Pilar
150.00
Deslocamento (mm)
100.00
50.00
0.00
-50.00
-100.00
-150.00
20.00
47.00 168.00 280.00 375.50 471.00 552.50 634.00 719.50 776.00
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.28 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo com proteção nos
pilares externos e internos.
100
As Figuras 6.29 e 6.30, mostram o comportamento dos nós 16 e 54, centro e topo do
pilar interno. O comportamento dos deslocamentos horizontais foi praticamente nulo
nos dois nós, enquanto os deslocamentos verticais se mostram crescentes com a
elevação da temperatura, mantendo o sentido positivo. O valor do deslocamento é
crescente com a elevação da temperatura sendo o ponto de colapso comum aos pontos,
com deslocamentos de 62,12 mm e 125,44 mm respectivamente com a temperatura de
791,94°C. O deslocamento máximo ocorre nos dois nós a temperatura de 761,00°C,
sendo os valores máximos para esta temperatura nos nós 16 e 54 respectivamente, 62,30
mm e 125,62 mm.
Deslocamento x Temperatura
nó 16 - Pilar
70.00
Deslocamento (mm)
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
-10.00
20.00
86.00 214.50 321.00 412.50 504.00 581.00 658.00 735.25 795.00
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.29 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar interno com proteção nos
pilares externos e internos.
101
Deslocamento x Temperatura
nó 54 - Pilar
140.00
Deslocamento (mm)
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
-20.00
20.00
86.00 214.50 321.00 412.50 504.00 581.00 658.00 735.25 795.00
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.30 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar interno com proteção nos
pilares externos e internos.
O nó 31 representa o centro do primeiro tramo da viga transversal, neste ponto os
deslocamentos horizontais seguiram a mesma linha dos deslocamentos horizontais do
nó 29, Figura 6.28. A flecha tem sentido positivo sendo o deslocamento máximo 82,28
mm aos 627,50°C, e colapso à 815,00°C, com o deslocamento de 214,49 mm negativos.
Como mostra a Figura 6.31.
102
Deslocamento x Temperatura
nó 31 - Viga
100.00
Deslocamento (mm)
50.00
0.00
-50.00
-100.00
-150.00
-200.00
-250.00
20.00
115.25 246.50 346.00 432.00 518.00 591.00 664.00 733.75 815.00
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.31 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo com
proteção no pilar externo e interno.
6.2.2.3 – REGIME COM PROTEÇÃO DOS PILARES EXTERNOS E
VIGA
Nesta etapa do ensaio os pilares externos e a viga de travamento da estrutura do edifício
receberam uma camada protetora de argamassa de vermiculita. Ficando desta vez
desprotegida somente os pilares internos.
O histórico de temperaturas para esta simulação é mostrado na Tabela 6.7 e Figura 6.32,
nos pontos de interesse, refere-se ao perfil da viga de travamento. O histórico do pilar
externo é o mesmo mostrado na Tabela 6.5, e o perfil dos pilares internos que neste caso
não recebeu proteção fica o mesmo da Tabela 6.3.
103
Tabela 6.7 – Histórico de Temperatura do Perfil CS 500x73, com proteção térmica,
submetido ao incêndio padrão durante 2 horas.
VIGA
Tempo (min)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
114
120
T3 (°C)
20
48
98
153
210
262
313
364
412
456
500
542
584
621
655
688
713
734
755
775
796
T6 (°C)
20
63
133
203
266
327
385
437
488
538
585
627
667
703
728
754
779
806
845
877
905
T7 (°C)
20
65
138
213
280
344
404
458
510
561
609
651
691
720
746
772
797
835
871
902
930
T8 (°C)
20
63
132
203
265
325
383
435
486
536
583
625
664
701
726
752
777
803
842
875
903
T11 (°C)
20
47
95
150
206
257
308
358
407
450
493
536
577
614
648
681
708
729
749
770
790
Temperatura na seção do perfil - CS 500x73
Pontos na seção do perfil
T3 4
3
30min
2
60min
90min
1
120min
0
0
200
400
600
800
1000
Temperatura (°C)
Figura 6.32 – Distribuição de temperatura ao longo do tempo no perfil CS 500x73 –
com proteção.
104
O comportamento do meio do pilar externo representado pelo nó 15 é ilustrado na
Figura 6.33. O deslocamento horizontal se dá de crescente “para fora” (sentido
negativo), o valor máximo em 116,49 mm a temperatura de 765,00°C, ponto que se
refere também ao run away. Os deslocamentos verticais são crescente com a
temperatura até deslocamento de 62,03 mm, onde se tem o colapso, mas não existe sinal
de esmagamento.
Deslocamento (mm)
Deslocamento x Temperatura
nó 15 - Pilar
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
-20.00
-40.00
-60.00
-80.00
-100.00
-120.00
-140.00
20.00 250.00 343.00 436.00 556.75 627.00 687.00 724.18 740.88 757.58
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.33 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar externo com proteção nos
pilares externos e viga.
O nó 29 que é topo do pilar externo apresenta um deslocamento horizontal “para fora”
(sentido negativo), o deslocamento segue o comportamento da temperatura atingindo o
máximo de 104,51 mm a temperatura de 717,00°C. Assumindo posteriormente o
sentido positivo de deslocamento “para dentro”, até a temperatura de 759,43°C onde
ocorre o run away. Os deslocamentos verticais apresentam o mesmo comportamento
descrito no nó 15, crescente com a temperatura. Figura 6.34.
105
Deslocamento x Temperatura
nó 29 - Pilar
Deslocamento (mm)
150.00
100.00
50.00
0.00
-50.00
-100.00
-150.00
20.00
250.00 343.00 436.00 556.75 627.00 687.00 722.32 750.16 759.43
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.34 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar externo com proteção nos
pilares externos e viga.
As Figuras 6.35 e 6.36 mostram o comportamento do meio e do topo do pilar interno
afastado de 10 m do pilar externo, os nós 16 e 54, respectivamente. O deslocamento
horizontal é praticamente nulo em ambos os nós. Verticalmente o deslocamento se dá
crescente e positivo com a temperatura, característica do alongamento do pilar, o ponto
de deslocamento máximo nos dois nós se dá a temperatura de 784,60°C com
deslocamentos de 62,83 mm e 126,75 mm, respectivamente. O run away se dá à
temperatura 798,00°C, com 62,13 mm e 125,44 mm consecutivamente.
106
Deslocamento (mm)
Deslocamento x Temperatura
nó 16 - Pilar
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
-10.00
20.00 329.00 420.50 512.00 627.50 691.75 743.25 759.72 768.33 784.60 798.00
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.35 – Deslocamentos do nó referente ao meio do pilar interno com proteção nos
pilares externos e viga.
Deslocamento (mm)
Deslocamento x Temperatura
nó 54 - Pilar
140.00
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
-20.00
20.00 329.00 420.50 512.00 627.50 691.75 738.66 746.32 766.42 775.99 792.26
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.36 – Deslocamentos do nó referente ao topo do pilar interno com proteção nos
pilares externos e viga.
107
Os deslocamentos do nó 31, que representa o centro do primeiro tramo da viga
transversal, são mostrados na Figura 6.37. Verifica-se que a flecha tem sentido positivo
até a temperatura de 785,58 °C, sendo a flecha máxima aos 656,00°C com
deslocamento de 84,63 mm positivo. A partir deste ponto a flecha decresce, atingindo o
colapso aos 815,00°C, onde o valor do deslocamento é 129,85 mm negativos. Os
deslocamentos horizontais do nó 31 são compatíveis em sentido e em ordem de
grandeza com os deslocamentos horizontais de topo nó 29 conforme se observa na
Figura 6.34.
Deslocamento x Temperatura
nó 31 - Viga
Deslocamento (mm)
100.00
50.00
0.00
-50.00
-100.00
-150.00
20.00
383.75
512.00
656.00
703.50
745.65
785.58
808.70
815.00
Temperatura (°C)
Desl. U
Desl. V
Figura 6.37 – Deslocamentos do nó referente ao meio da viga no primeiro tramo com
proteção no pilar externo e viga.
6.3 – COMPORTAMENTO DO SISTEMA DE FECHAMENTO
LATERAL
Com os históricos de temperatura e deslocamento obtidos nos itens anteriores, podemos
avaliar o comportamento do sistema de fechamento lateral do edifício estudo. Para esta
análise utilizaremos o SAP 2000 (Versão 9), software de análise estrutural que pode ser
utilizado para efetuar análises lineares e não lineares, estáticas e dinâmicas usando
elementos finitos.
108
De acordo com as características do fechamento lateral descrito anteriormente neste
capitulo, foi possível a criação de um modelo no SAP 2000. Foram excluídos do
modelo os componentes pertencentes ao sistema de cobertura, de modo que no ponto de
ligação entre os pilares de canto e a viga de cobertura fossem inseridos apoios
engastados, com o objetivo de restringir a rotação em relação aos eixos x, y e z.
Não foi viável modelar no SAP 2000 a corrugação trapezoidal da seção transversal da
telha, sendo adotados elementos planos (chapas) com a mesma espessura das telhas, que
no caso deste trabalho foi de 0,5 mm. As terças foram apoiadas nos pilares de cantos e
nos dois pilaretes intermediários e as telhas metálicas apoiadas em todo comprimento
das terças.
Com as características geométricas do modelo já definidas, dá-se iniciada o lançamento
dos carregamentos a que estará sujeita a estrutura de fechamento, que no caso deste
trabalho será apenas o peso próprio dos componentes. Os esforços de vento não foram
considerados, devido à pequena probabilidade de ocorrência de fortes ventanias
juntamente com o incêndio
A Figura 6.38 representa a vista isométrica da malha de elementos finitos utilizada pelo
SAP 2000.
109
2000.
Figura 6.38 - Vista isométrica da malha de elementos finitos utilizada pelo SAP 2000
Com o intuito de simular o comportamento do fechamento lateral sujeito a ação do
incêndio, foi inserido um apoio engastado na metade da altura do pilar de canto (nó 16 SAP). Neste apoio foram introduzidos deslocamentos (recalques) em relação aos eixos
X2 e X3, retirados dass análise do Vulcan no nó 15 do pórtico principal. Os
deslocamentos nos eixoss X2 e X3 correspondem, respectivamente, aos deslocamentos
nos eixos V e U fornecidos pelo Vulcan.
Foi realizado o mesmo procedimento ppara
ara o apoio engastado no topo do pilar de canto
(nó 24 - SAP),
), usando os resultad
resultados do Vulcan nó 29 do pórtico principal.
Adotou-se a temperatura dos elementos estruturais localizados entre os pilaretes como
sendo a metade da temperatura (∆
(∆T/2) atuante no pilar de canto incendiado, com isto, o
módulo de elasticidade longitudinal (E) e a resistência ao escoamento (fy) do aço foram
multiplicados pelos fatores de redução apresentados na NBR 14323: 1999.
110
6.3.1 – COMPORTAMENTO FECHAMENTO LATERAL COM
PÓRTICO PRINCIPAL SEM PROTEÇÃO
Utilizando os dados obtidos e deslocamentos da estrutura principal, no item 6.2.1 deste
trabalho foi montado um modelo no SAP2000, onde se atribuiu os deslocamentos na
estrutura do pórtico principal, obtendo assim o comportamento do fechamento lateral
quando exposto a uma situação de incêndio, neste caso sem nenhuma estrutura
protegida.
A Figura 6.39 ilustra o comportamento do fechamento lateral a uma altura de 6 metros
do piso da estrutura. Os deslocamentos horizontais se dão no sentido negativo “para
fora” em todas as faixas de temperatura, atingindo maiores resultados na faixa que vai
de 8 m a 12 m do comprimento do tapamento analisado, região onde é simulado a
exposição ao incêndio. O máximo deslocamento se dá na temperatura de 733,94°C com
107,93 mm negativos, justo no centro da faixa de exposição, sendo esta a região do
pórtico principal.
Deslocamento Meio Tapamento Lateral
Comprimento do Fechamento (mm)
20000
18000
16000
14000
12000
77,5°C
10000
120,63°C
8000
250,00°C
583,75°C
6000
4000
733,94°C
746,45°C
2000
0
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
Deslocamento em milímetros
Figura 6.39 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral sem proteção.
111
O comportamento no topo do fechamento lateral é mostrado na Figura 6.40, os
deslocamentos horizontais ao longo do fechamento estão no sentido negativo “para
fora” até a temperatura de 733,94°C, apresentando os maiores deslocamentos na faixa
simulação do incêndio padrão. Na temperatura de 746,45°C o deslocamento se dá “para
dentro” sentido positivo em quase toda extensão do fechamento, atingindo 141,89 mm
positivos na região do pórtico principal exposto ao incêndio.
Deslocamento Topo Tapamento Lateral
20000
Comprimento do Fechamento (mm)
18000
16000
14000
12000
120,63°C
10000
250,00°C
583,75°C
8000
6000
733,94°C
746,45°C
77,5°C
4000
2000
0
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Deslocamento em milímetros
Figura 6.40 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral sem proteção.
6.3.2 – COMPORTAMENTO FECHAMENTO LATERAL COM
PÓRTICO PRINCIPAL COM PROTEÇÃO
Nesta fase do estudo será exposto o comportamento do fechamento lateral exposto ao
incêndio padrão, com a proteção nas peças que compõem o pórtico principal do edifício
horizontal. Como no procedimento descrito neste capitulo anteriormente, primeiro
protegeremos somente os pilares mais externo do pórtico principal, posteriormente a
112
proteção será nos pilares externos e pilares internos do pórtico principal e por fim as
estruturas protegidas serão os pilares externos e a viga transversal.
6.3.2.1 – PILARES EXTERNOS PROTEGIDOS
Neste item analisaremos o comportamento do tapamento lateral do edifício horizontal,
sendo os pilares mais externo do pórtico principal protegido com uma camada de 15
mm de argamassa de vermiculita, enquanto as demais estruturas do pórtico permanecem
sem nenhum tipo de proteção passiva.
Aplicando no SAP2000 o histórico de deslocamentos da estrutura do item 6.2.2.1, são
obtidos os deslocamentos do fechamento lateral. A Figura 6.41 mostra estes
deslocamentos horizontais no meio do fechamento lateral, observa-se que o
deslocamento segue o sentido negativo “para fora” ao longo de toda extensão do
fechamento analisada, o deslocamento máximo de 82,60 mm negativos na temperatura
de 717,00°C, na região do pórtico principal envolvido pelo incêndio padrão.
113
Deslocamento Meio Tapamento Lateral
com Proteção
Comprimento do Fechamento (mm)
20000
18000
16000
14000
12000
47,00°C
10000
8000
250,0°C
516,5°C
717,0°C
6000
720,5°C
4000
2000
0
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
Deslocamento em milímetros
Figura 6.41 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo do pórtico principal.
O deslocamento horizontal do topo do fechamento lateral permanece “para fora”
(sentido negativo), até a temperatura de 717,00°C com máximo de 104,51 mm
negativos na região do pórtico principal afetado pelo incêndio. Deste ponto em diante o
sentido do deslocamento muda, tornando-se positivo “para dentro” o deslocamento é
mais expressivo na região onde é simulada a exposição do incêndio padrão que também
é a região do pórtico principal, obtendo na temperatura de 720,50°C 114,19 mm de
deslocamento positivo – Figura 6.42.
114
Deslocamento Topo Tapamento Lateral
com Proteção
Comprimento do Fechamento (mm)
20000
-150
18000
16000
14000
12000
47,00°C
10000
8000
250,0°C
516,5°C
717,0°C
6000
720,5°C
4000
2000
0
-100
-50
0
50
100
150
Deslocamento em milímetros
Figura 6.42 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo do pórtico principal.
6.3.2.2 – PILARES EXTERNOS E INTERNOS PROTEGIDOS
Analisaremos o comportamento do tapamento lateral do edifício horizontal aplicando no
SAP2000 o histórico de deslocamentos da estrutura do item 6.2.2.2, sendo neste item os
pilares mais externos e o pilares internos do pórtico principal estão protegidos com uma
camada de 15 mm de argamassa de vermiculita, permanecendo a viga transversal sem
nenhum tipo de proteção passiva.
A Figura 6.43 mostra os deslocamentos horizontais no meio do fechamento lateral,
observa-se que o deslocamento segue o sentido negativo “para fora” ao longo de toda
extensão do fechamento analisada, o deslocamento máximo de 128,90 mm negativos na
115
temperatura de 776,00°C, na região do pórtico principal envolvido pelo incêndio
padrão.
Deslocamento Meio Tapamento Lateral
com Proteção
Comprimento do Fechamento (mm)
20000
-140
18000
16000
14000
12000
56,00°C
10000
8000
224,0°C
511,7°C
719,5°C
6000
776,0°C
4000
2000
0
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Deslocamento em milímetros
Figura 6.43 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral com proteção
nos pilares externos e internos do pórtico principal.
O deslocamento horizontal do topo do fechamento lateral – Figura 6.44 – permanece
“para fora” (sentido negativo), em todas as faixas de temperatura,até a temperatura de
com máximo deslocamento de 103,29 mm negativos na região do pórtico principal
afetado pelo incêndio, com temperatura de 719,50°C no centro da faixa de exposição ao
incêndio, região do pórtico principal.
116
Comprimento do Fechamento (mm)
Deslocamento Topo Tapamento Lateral
com Proteção
-120
20000
18000
16000
14000
12000
56,00°C
10000
8000
6000
224,0°C
511,7°C
719,5°C
776,0°C
4000
2000
0
-100
-80
-60
-40
-20
0
Deslocamento em milímetros
Figura 6.44 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral com proteção nos
pilares externos e internos do pórtico principal.
6.3.2.3 – PILARES EXTERNOS E VIGA PROTEGIDOS
O comportamento do tapamento lateral do edifício horizontal aplicando no SAP2000 o
histórico de deslocamentos da estrutura do item 6.2.2.3, sendo neste item os pilares mais
externos e viga transversal do pórtico principal estão protegidos com uma camada de 15
mm de argamassa de vermiculita, permanecendo nesta análise os pilares internos sem
nenhum tipo de proteção passiva.
A Figura 6.45 mostra estes deslocamentos horizontais no meio do fechamento lateral
com proteção nos pilares externos e viga transversal do pórtico principal, observa-se
que o deslocamento segue o sentido negativo “para fora” ao longo de toda extensão do
117
fechamento analisada, o deslocamento máximo de 113,83 mm negativos na temperatura
de 757,60°C, na região do pórtico principal envolvido pelo incêndio padrão.
Deslocamento Meio Tapamento Lateral
com Proteção
Comprimento do Fechamento (mm)
20000
-120
18000
16000
14000
12000
47,00°C
10000
8000
250,0°C
516,5°C
717,0°C
6000
757,6°C
4000
2000
0
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
Deslocamento em milímetros
Figura 6.45 – Deslocamentos horizontais no meio do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo e viga transversal do pórtico principal.
O deslocamento horizontal do topo do fechamento lateral permanece “para fora”
(sentido negativo), até a temperatura de 717,00°C com máximo de 104,51 mm
negativos na região do pórtico principal afetado pelo incêndio. Deste ponto em diante o
sentido do deslocamento muda, tornando-se positivo “para dentro” o deslocamento é
mais expressivo na região onde é simulada a exposição do incêndio padrão que também
é a região do pórtico principal, obtendo na temperatura de 757,60°C 84,67 mm de
deslocamento positivo – Figura 6.46.
118
Deslocamento Topo Tapamento Lateral
com Proteção
Comprimento do Fechamento (mm)
20000
18000
16000
14000
12000
47,00°C
10000
8000
250,0°C
516,5°C
717,0°C
6000
757,6°C
4000
2000
0
-150
-100
-50
0
50
100
Deslocamento em milímetros
Figura 6.46 – Deslocamentos horizontais no topo do tapamento lateral com proteção no
pilar mais externo e viga transversal do pórtico principal.
6.3.3 – ANÁLISE DA TELHA CONSTITUINTE DO FECHAMENTO
LATERAL
Para esta etapa do estudo tomaremos como base para análise a os maiores
deslocamentos do fechamento lateral descrito no item 6.3.2 deste trabalho, que são
verificados no topo do fechamento lateral. Levaremos em conta para verificar os efeitos
de rasgamento e esmagamento da telha do tapamento lateral, os resultados de esforços
provenientes do SAP 2000, devemos observar que os valores do módulo de elasticidade
longitudinal (E) e o limite de resistência ao escoamento (fy) variam em função da
temperatura, conforme Tabela 01 da NBR 14323:1999.
119
De acordo do com a NBR 14762: 2001, em ligações parafusadas é necessário a
verificação da resistência da telha ao esmagamento e ao rasgamento entre furos ou entre
furo e borda.
Por se tratar de telhas com pequena espessura e uma grande concentração de eforços nas
ligações parafusadas das mesmas, não verificamos os estados limites terças, pois as
telhas estão sujeiras ao colapso antes das terças.
Para a definição das forças resistentes de cálculo ao rasgamento e esmagamento das
telhas, em situação de incêndio foi considerado que a distância entre os furos e a borda
na direção da força é igual a 15 cm e o diâmetro dos parafusos igual a 12 mm
Seguiremos a mesma ordem de exposição dos resultados apresentados anteriormente,
demonstrando primeiro o comportamento da telha quando a estrutura do pórtico
principal não possui nenhum tipo de proteção passiva, seguido depois para exposição do
comportamento da telha de fechamento quando protegemos os pilares externos do
pórtico principal, depois protegendo os pilares externos e internos e finalizando com o
comportamento da telha quando protegemos os pilares externos e a viga transversal do
pórtico principal.
6.3.3.1 – COMPORTAMENTO DA TELHA COM PÓRTICO
PRINCIPAL DESPROTEGIDO
O comportamento da telha de fechamento lateral quando não houve nenhum tipo de
proteção passiva na estrutura do pórtico principal, na região de maior solicitação de
acordo com item 6.3.1 do trabalho exposto. É mostrado nas Figuras 6.47 e 6.48 –
verificação ao rasgamento da telha e verificação ao esmagamento da telha – as duas
figuras mostram o deslocamento da força de tração (F) e da força resistente de cálculo
(Frd), ao longo da evolução da temperatura.
120
Verificação ao Rasgamento da Telha
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
F (kN)
Frd (kN)
Figura 6.47 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pórtico principal
desprotegido.
Verificação ao Esmagamento da Telha
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
F (kN)
Frd (kN)
Figura 6.48 – Esmagamento da telha do tapamento lateral com pórtico principal
desprotegido.
121
O ponto de encontro entre as curvas que representamos deslocamentos, é ponto de
colapso da telha para esta análise. Verificamos que o ponto de rasgamento a força é na
ordem de 13,00 kN com uma temperatura de 242°C, enquanto que para o de
esmagamento o ponto de colapso tem a temperatura de 100°C e força de 2,2 kN.
6.3.3.2 – COMPORTAMENTO DA TELHA COM PÓRTICO
PRINCIPAL PROTEGIDO
Neste tópico mostraremos o comportamento da telha de fechamento lateral quando
alguma das peças constituintes do pórtico principal recebeu uma proteção de 15 mm de
argamassa de vermiculita. Utilizaremos para análise os deslocamentos do fechamento
lateral oriundos do item 6.3.2 deste trabalho.
As verificações ao rasgamento e esmagamento para quando protegemos somente o pilar
externo, os pilares externos e internos e o pilar externo e viga transversal do pórtico
principal, são ilustradas nas Figuras 6.49, 6.50, 6.51, 6.52, 6.53 e 6.54, onde o
cruzamento da linha que representa a força de tração (F) com a linha que representa a
força de resistência de cálculo é o ponto de colapso da telha.
Verificação ao Rasgamento da Telha
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
F (kN)
Frd (kN)
Figura 6.49 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo do pórtico
principal protegido.
122
Verificação ao Esmagamento da Telha
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
F (kN)
Frd (kN)
Figura 6.50 – Esmagamento da telha do tapamento lateral com pilar externo do pórtico
principal protegido.
Para o pilar externo do pórtico principal protegido o rasgamento se deu à temperatura de
408°C com uma força de tração de 11,82 kN e o esmagamento com uma força de
1,8 kN à uma temperatura de 100°C. Figuras 6.49 e 6.50
O ponto de ruptura da telha de tapamento quando estão protegidos os pilares externos e
internos mostrados na Figura 6.51 e 6.52 são para esmagamento 2,07 kN de força de
tração com uma temperatura de 150°C, enquanto para rasgamento a ruptura se deu com
a temperatura de 420°C e força de tração equivalente à 11,20 kN.
123
Verificação ao Esmagamento da Telha
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
F(kN)
Frd(kN)
Figura 6.51 – Esmagamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e interno do
pórtico principal protegido.
Verificação ao Rasgamento da Telha
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
F(kN)
Frd(kN)
Figura 6.52 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e interno do
pórtico principal protegido.
124
Quando o pilar externo e viga transversal do pórtico principal estão protegidos o ponto
de colapso para rasgamento e à temperatura de 409°C com força de tração de 11,7 kN,
Figura 6.53. Enquanto que para esmagamento a força de tração foi de 1,85°C com
temperatura de 110°C, Figura 6.54.
Verificação ao Rasgamento da Telha
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
F(kN)
Frd(kN)
Figura 6.53 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e viga
transversal do pórtico principal protegido.
125
Verificação ao Esmagamento da Telha
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
F(kN)
Frd(kN)
Figura 6.54 – Rasgamento da telha do tapamento lateral com pilar externo e interno do
pórtico principal protegido.
126
CAPITULO 7
7 – CONCLUSÃO E SUGESTÕES
7.1 – CONCLUSÃO
Estudou-se nesta pesquisa o comportamento de estruturas de um grande edifício
horizontal em situação de incêndio, mais precisamente o comportamento do tapamento
lateral destes edifícios em aço parcialmente protegidos, assunto este pouco abordado no
meio acadêmico brasileiro, porém importante na prevenção de catástrofes.
No primeiro momento da análise avaliamos o comportamento do pórtico principal,
mostrando seu deslocamento como previsto na norma NBR 14423: 2000. Em todos os
casos estudados, verificou-se o movimento “para fora” dos pilares externos, o que
caracterizou a tendência da estrutura de levar a estrutura do fechamento do edifício para
fora da área interna da edificação, não comprometendo assim a evacuação das pessoas
de dentro do edifício. Posteriormente verificamos algumas situações em que peças do
pórtico principal foram protegidas com argamassa de vermiculita, buscando o melhor
desempenho da estrutura quanto aos deslocamentos obtidos em uma situação de
incêndio.
Como o intuito da pesquisa é de se verificar o comportamento do fechamento lateral do
grande edifício horizontal, tomou-se como parâmetro o deslocamento do nó 29, que
representa o topo do pilar externo do pórtico principal, e se mostrou como o ponto de
maior influencia para o deslocamento do fechamento lateral.
No item 6.2 deste trabalho verificou-se o comportamento do pórtico principal quando
exposto ao incêndio, o comportamento “para fora” é observado em todos os itens do
capitulo analisado. Foram realizados simulações com pórtico sem nenhuma parte
protegida, posteriormente simulamos o mesmo pórtico como os pilares externos
protegidos com camada de 15 mm de argamassa de vermiculita, depois protegemos
simultaneamente os pilares externos e internos do pórtico e por fim protegemos os
pilares externos e a viga transversal.
127
O item 6.3 do capitulo anterior, mostrou-se o comportamento da parede de fechamento
lateral com a influencia do deslocamento do pórtico principal nas situações exposta no
item. Como o edifício detém grande dimensões foi assumido que o incêndio
influenciaria somente um pórtico, (área de influencia do incêndio Figura 6.12),
ilustramos o trecho da parede definida por três pórticos sendo que o pórtico central da
parede de fechamento sofre a influencia do incêndio.
Do capitulo anterior no item 6.4, obtivemos os pontos de ruptura da telha metálica
utilizada no fechamento lateral, visto que se trata da estrutura mais esbelta o tapamento
lateral. Existe grande preocupação com a telha, pois esta dependendo do movimento da
fechamento pode ter seu colapso quando o fechamento se desloca “para dentro”,
promovendo assim a obstrução das rotas de fuga do edifício, o que não ocorreu em
nenhum dos casos estudados neste trabalho.
Fazendo um comparativo das deformações sofridas com o pórtico sem proteção e com o
sistema de proteção parcial da estrutura, podemos concluir que o melhor resultado ficou
com o pórtico onde foram protegidos os pilares externos e internos da estrutura. Com
este modelo verificamos que o pórtico se moveu “para fora” resultando uma menor
deformação em uma temperatura mais elevada, no nó 29 que foi o mais critico.
Superando a recomendação do corpo de bombeiros de São Paulo, em um tempo de
aproximadamente 30 minutos.
O fechamento lateral sofreu um movimento “para fora” com a elevação da temperatura,
seguindo o comportamento do pórtico principal, contudo existe uma mudança na
direção do deslocamento seguindo “para dentro” da estrutura, porém este sentido do
deslocamento não chega atingir a posição de origem do fechamento antes do colapso da
estrutura.
Protegendo os pilares externos e internos do pórtico, as telhas de fechamento também
apresentaram um melhor desempenho, pois seguem o movimento do fechamento lateral
com a elevação da temperatura obtendo seu colapso com uma temperatura maior do que
nos outros casos analisado, que implica em um maior tempo de exposição. Com os
deslocamentos do fechamento obtivemos os esforços de tração nas telhas e comparamos
com os seus esforços limites, lembrando que as telhas também sofrem os efeitos de
128
perda de resistência com o aumento da temperatura obtivemos os resultados
explicitados anteriormente.
7.2 – SUGESTÕES
Seguem
algumas
sugestões
para
futuros
trabalhos
acadêmicas,
visando
o
desenvolvimento das estruturas de fechamento lateral de grandes edifícios horizontias,
quando expostos a uma situação de incêndio.
•
Estudo do comportamento de telhas de fechamento com diferentes espessuras, e
dimensões;
•
Estudo de diferentes tipos de fixação das telhas do fechamento lateral, visando
um melhor desempenho quando solicitado a tração;
•
Comparativos entre diferentes tipos de fechamento lateral, com diferentes meios
de dimensionamento estrutural.
129
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